張曌，謝少軍，曹赟

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京211106）

基于MMC的鋰電池管理器研究

張曌，謝少軍，曹赟

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京211106）

研究了一種基于MMC（modular multilevel converter）的鋰電池管理器，該管理器能將充放電控制和電池均衡管理統(tǒng)一在同一變換器內(nèi)部完成，解決了傳統(tǒng)電池管理器將充放電控制器和電壓均衡電路相互獨(dú)立而使電路較為復(fù)雜的問(wèn)題。首先分析了變換器的工作原理，以12 V電池包為例設(shè)定了功能需求，并依此設(shè)計(jì)了控制策略與能量管理策略，相應(yīng)地得到了控制框圖與控制器的程序流程圖；然后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)；最后，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該管量器能夠?qū)崿F(xiàn)雙向電流控制、輸出穩(wěn)壓控制和單體電池均衡，驗(yàn)證了上述分析和設(shè)計(jì)的正確性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙向充放電電流控制與穩(wěn)壓環(huán)控制的可行性，而單體電池的長(zhǎng)期電壓均衡仍有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

電池管理系統(tǒng)；模塊化多電平變換器；電流控制；電壓均衡

引言

鋰電池具有能量質(zhì)量比高、單體電壓高、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、UPS等場(chǎng)合受到廣泛應(yīng)用［1-3］。由于鋰電池自身材料特殊，其對(duì)充放電的要求較高，鋰電池的充放電管理的研究對(duì)安全、高效使用鋰電池具有重要意義。

通常，鋰電池管理器一般由充電電路、放電電路和監(jiān)測(cè)管理三部分組成［4］。充電和放電電路分別對(duì)鋰電池的充電過(guò)程和放電過(guò)程進(jìn)行電流和電壓的限制，防止發(fā)生過(guò)充、過(guò)放或者過(guò)流現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)管理電路對(duì)電池本身的電壓、溫度、容量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)告。另外，對(duì)于由多個(gè)電池單體串聯(lián)的鋰電池組，管理器還應(yīng)具備單體電池的電壓均衡功能，避免因單體電池失效而導(dǎo)致整體報(bào)廢，從而延長(zhǎng)整體電池組的壽命。

現(xiàn)有的單體電壓均衡方案均為在充放電電路外另加均衡電路［5-12］，電路種類較多，較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［13］將模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高壓超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)場(chǎng)合，并分析了其控制策略和工作特性，指出了其具有雙向功率流、模塊化、電壓自動(dòng)均衡等特性。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種將模塊化多電平變換器MMC結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鋰電池管理器的解決方案，能將充放電控制和電池均衡管理統(tǒng)一在同一變換器內(nèi)部完成，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1　鋰電池管理器實(shí)現(xiàn)方案

1.1管理器結(jié)構(gòu)

管理器由功率電路、控制電路和輔助電源三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，N個(gè)半橋子模塊、輸出側(cè)電感L和電容C共同構(gòu)成MMC電路，作為主功率電路，同時(shí)兼具保護(hù)動(dòng)作功能；控制電路由采樣電路、MCU控制器電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成；MCU具有可編程功能，用于實(shí)現(xiàn)各環(huán)路計(jì)算、充放電功能、保護(hù)功能等。

圖1　基于MMC的電池管理器主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of the battery manager based on MMC

1.2變換器的工作原理分析

該電池管理器的主電路如圖2中所示，依次串聯(lián)的各半橋子模塊、輸出側(cè)電感L和濾波電容C1構(gòu)成了MMC拓?fù)?，uo作為電池管理器的輸出端口，各半橋橋臂通過(guò)一個(gè)LC濾波器連接單體電池。LC濾波器的作用是濾除由開(kāi)關(guān)動(dòng)作造成的電流尖峰。

圖2　電池管理器的主電路Fig.2 Main circuit of the battery manager

各半橋子模塊內(nèi)上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。使用載波移相調(diào)制策略，模塊間上開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)依次相移360°/N（N為子模塊數(shù)目），前3個(gè)子模塊的上開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示。此調(diào)制策略使得變換器電感L上的電流紋波最小，可以有效減少所需的電感量，從而控制體積重量。

1.3管理器的控制設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)變換器的控制策略，必須首先明確管理器需要完成的功能。以一個(gè)12 V/2 A的電池包為例，設(shè)定其需完成的功能：①接受系統(tǒng)指令，實(shí)現(xiàn)充放電控制；②放電時(shí)，12 V穩(wěn)壓輸出，最大限流1C=2 A；③充電時(shí)，正常電流1C=2 A，涓流充電電流：0.1C=0.2 A；④充放電時(shí)，單體電池電壓均衡。

圖3　移相調(diào)制波形Fig.3 Waveforms of phase shift modulation

上述功能可分解為3個(gè)控制功能，即雙向充放電電流控制、單體電池電壓均衡和穩(wěn)壓放電控制。

變換器充放電電流大小和方向的控制可以通過(guò)控制輸出側(cè)電感電流大小和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，控制器中需要一個(gè)電流閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)電感電流的精確快速控制。電流閉環(huán)的輸出為基本占空比，可以實(shí)現(xiàn)電池電壓均衡時(shí)的電流控制。

另外，為了實(shí)現(xiàn)單體電池電壓均衡，還需要設(shè)計(jì)N個(gè)單體電壓均衡環(huán)。單體電壓均衡環(huán)的輸出為微調(diào)占空比，通過(guò)對(duì)基本占空比的微調(diào)實(shí)現(xiàn)單體電池電壓均衡。文獻(xiàn)［13］中通過(guò)數(shù)學(xué)上的分析計(jì)算，證明了當(dāng)各電壓均衡環(huán)產(chǎn)生的微調(diào)占空比代數(shù)和為0時(shí)，電流閉環(huán)和電壓均衡環(huán)之間可以實(shí)現(xiàn)解耦。由上，可以實(shí)現(xiàn)單體電池電壓均衡與雙向充放電電流控制。最后，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓放電控制，需要添加一個(gè)電壓外環(huán)。當(dāng)管理器處于放電狀態(tài)時(shí)，電壓外環(huán)的輸出作為電流環(huán)的電流參考。

基于以上分析，該變換器的主要控制策略如圖4所示。圖中，iL為輸出側(cè)電感電流瞬時(shí)值，iLref為輸出側(cè)電感電流參考值，GI為電流環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制；ubt1～ubtn為各單體電池電壓瞬時(shí)值，uaver為ubt1～ubtn的平均值，sign（iL）為iL的方向，Gsh為電壓均衡環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)電壓均衡控制。uo為電池包輸出電壓瞬時(shí)值，uoref為輸出電壓參考值，GU為電壓環(huán)控制器，輸出作為放電時(shí)的電感電流參考值iLref，實(shí)現(xiàn)放電穩(wěn)壓控制。d1～dn為各子模塊上開(kāi)關(guān)管的占空比。

圖4　基于MMC的模塊化控制策略Fig.4 Modular control strategy based on MMC

1.4控制器的程序設(shè)計(jì)

以保證鋰電池安全工作為前提，結(jié)合管理器的功能設(shè)定，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能量管理策略，并依此設(shè)計(jì)了變換器控制器的程序流程。

主程序流程如圖5所示。首先，電池管理器接受系統(tǒng)控制指令，進(jìn)入周期較長(zhǎng)的無(wú)盡循環(huán)。循環(huán)中，首先讀取收到的控制指令，并獲取電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)SOC（state of charge），據(jù)此判斷是否為充放電指令：①如果為充電指令，再判斷是否有電池過(guò)壓、欠壓狀態(tài)。若有，相應(yīng)地進(jìn)入“停止工作”和“涓流充電”狀態(tài)；若無(wú)，進(jìn)入“正常充電”狀態(tài)。②如果為放電指令，再判斷是否有電池欠壓。若有，進(jìn)入“停止工作”狀態(tài)；若無(wú)，進(jìn)入“正常放電”狀態(tài)。③如果既非充電指令，又非放電指令，則認(rèn)為系統(tǒng)出錯(cuò)，進(jìn)入“停止工作”狀態(tài)。

圖5　主程序流程Fig.5 Flow chart of the main program

當(dāng)主程序判定為“正常放電”、“正常充電”或“涓流充電”這3種工作狀態(tài)時(shí)，管理器的主電路開(kāi)始工作。主要控制功能在中斷服務(wù)程序ISR（interrupt service routine）中實(shí)現(xiàn)。

中斷服務(wù)程序的流程如圖6所示?？刂破靼撮_(kāi)關(guān)周期定時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，以更新開(kāi)關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)占空比，控制變換器工作。

圖6　中斷服務(wù)程序流程Fig.6 Flow chart of the ISR program

在中斷服務(wù)程序中，首先獲得主程序判定的工作狀態(tài)和當(dāng)前ADC采樣結(jié)果，并依此判斷是否需要保護(hù)。如果需要，則關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)管，停止工作；如果不需保護(hù)，進(jìn)行變換器的工作流程。依據(jù)主程序判定的工作狀態(tài)，得到相應(yīng)的電感電流參考值，然后進(jìn)行電流環(huán)計(jì)算、電壓均衡環(huán)計(jì)算，最后更新PWM占空比，輸出PWM驅(qū)動(dòng)。

2　設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述分析和設(shè)計(jì)的正確性，在12 V/2 A電池包的功能需求上補(bǔ)充了設(shè)計(jì)參數(shù)。該實(shí)例結(jié)合了小容量的鋰電池進(jìn)行方案研究驗(yàn)證，應(yīng)用范圍也可以擴(kuò)展至大容量的鋰電池組。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：?jiǎn)喂?jié)鋰電池規(guī)格為3.6 V/ 1 800 mAh，其最大工作電壓范圍為2.75～4.35 V，電池包外部端口電壓范圍為9～14.4 V，最大充放電設(shè)計(jì)電流有效值為2 A；半橋子模塊數(shù)目N=6；開(kāi)關(guān)頻率fs=10 kHz。據(jù)此設(shè)計(jì)主電路參數(shù)如下。

（1）開(kāi)關(guān)管耐壓為單體電池最大端電壓4.35 V，則上下開(kāi)關(guān)管的最大電流有效值分別為

另外考慮一定的安全裕量，選取Vishay公司生產(chǎn)的SiA920DJ型MOSFET。該型MOSFET主要參數(shù)：VDSmax=8 V，IDmax=4.5 A。

（2）輸出側(cè)電感最小值計(jì)算公式為

式中：rL為電感L上的紋波率；Deq=DN-DN，x為不大于x的整數(shù)。

（3）輸出側(cè)電容最小值計(jì)算公式為

式中：ΔUc為電容C的紋波率。

由此，電容選擇4.7 μF/16 V的電解電容。

2.2調(diào)制電路設(shè)計(jì)

本文對(duì)各單體電池電壓ubt1～ubt6和輸出端電壓uo使用了電壓調(diào)理電路，對(duì)輸出側(cè)電感電流iL使用了電流調(diào)理電路，以獲得符合MCU內(nèi)置ADC需要的輸入電壓范圍，其簡(jiǎn)要框圖如圖7所示。

3　仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7　調(diào)理電路簡(jiǎn)要框圖Fig.7 Simple block diagram of the conditioning circuit

為了驗(yàn)證上述分析和設(shè)計(jì)的正確性，首先在Saber軟件環(huán)境下搭建了仿真模型。主電路各元件參數(shù)與上述設(shè)計(jì)一致。其中，ubt1～ubt6分別設(shè)定為4.0，4.0，3.9，3.9，4.1和4.1 V，以模擬電池電壓不均的情形。

分別設(shè)定控制目標(biāo)為輸出側(cè)電感電流IL=-2 A和2 A（定義管理器放電時(shí)符號(hào)為正），且單體電池電壓均衡。由此得到的仿真結(jié)果分別可見(jiàn)于圖8和圖9，圖中展示了輸出側(cè)電感電流波形和所有子模塊串聯(lián)后電壓波形。由此可以看出，當(dāng)鋰電池電壓初始時(shí)刻不均時(shí)，輸出側(cè)電感電流能夠滿足控制目標(biāo)，同時(shí)單體電池電壓也能均衡。

圖8　鋰電池充電時(shí)的主要仿真波形（輸出電壓不控）Fig.8 Key simulation waveforms at charging without output voltage controlled

圖9　鋰電池放電時(shí)的主要仿真波形Fig.9 Key simulation waveforms at discharging

設(shè)定控制目標(biāo)為放電、輸出側(cè)電壓=12 V，且單體電池電壓均衡。由此得到的仿真結(jié)果可見(jiàn)于圖10，圖中展示了輸出電壓波形、輸出側(cè)電感電流波形和所有子模塊串聯(lián)后電壓波形。由此可以看出，當(dāng)鋰電池電壓初始時(shí)刻不均時(shí)，輸出電壓能夠滿足控制目標(biāo)，同時(shí)單體電池電壓也能均衡。

圖10　鋰電池放電時(shí)的主要仿真波形（輸出電壓控制）Fig.10 Key simulation waveforms at discharging with output voltage controlled

在仿真驗(yàn)證之后，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖11為放電時(shí)，在控制輸出端電壓12 V、不同負(fù)載電阻時(shí)的輸出側(cè)電壓和電感電流波形。圖11（a）為負(fù)載電阻9.6 Ω時(shí)的放電電壓波形，此時(shí)由于負(fù)載較小，可以達(dá)到控制目標(biāo)。圖11（b）為負(fù)載電阻5.2 Ω時(shí)的放電電壓波形，此時(shí)由于負(fù)載較大，變換器無(wú)法控制輸出電壓為12 V，電壓控制環(huán)飽和，電流環(huán)工作在最大電流參考值2 A處。由此證明了上文設(shè)計(jì)的電壓環(huán)與電流環(huán)能夠相互配合，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓與電感電流控制的目標(biāo)。

圖11　放電時(shí)輸出側(cè)電壓和電感電流波形Fig.11 Waveforms of output voltage and the inductor current at discharging

圖12為控制充電電流分別為涓流充電下的0.2 A和正常充電下的2 A時(shí)的輸出側(cè)電感電流波形。由圖可見(jiàn)，控制目標(biāo)能夠基本達(dá)到，證明了設(shè)計(jì)電流環(huán)的可行性。

綜上，該電池管理器能夠?qū)崿F(xiàn)基本的充放電以及穩(wěn)壓放電的功能，但是其充放電的控制精度有待優(yōu)化。另外，電池電壓的長(zhǎng)期均衡效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖12　充電時(shí)的輸出側(cè)電感電流波形Fig.12 Waveforms of the inductor current at charging

4　結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于MMC的鋰電池管理器。該電路結(jié)構(gòu)具有模塊化、多電平、電流雙向可控的特點(diǎn)，同時(shí)各單體電池之間的電壓可以自動(dòng)均衡。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述分析，證明了該方案的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了管理器雙向充放電控制以及穩(wěn)壓輸出控制的可行性，長(zhǎng)時(shí)間均衡效果仍有待后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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Research on Lithium Battery Manager Based on Modular Multilevel Converter

ZHANG Zhao，XIE Shaojun，CAO Yun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A Lithium battery manager based on modular multilevel converter（MMC）is researched.The charging/discharging control and voltage balance management are unified inside one single converter instead of two independent ones，which solves the problem of complex circuits.The operating principle are analyzed.The function requirements are set according to the example of a 12 V battery pack.Control strategy and energy management strategy are designed accordingly，then the control block diagram and program flowchart are obtained.Afterwards，an experimental prototype and its key parameters are designed.Eventually，simulations and experiments are conducted.The simulation results indicate the bidirectional charging/discharging current control，output voltage control and the voltage balance can be realized，and the above-mentioned analysis and design methods are verified.The bidirectional charging/discharging current control and output voltage control are be realized in the prototype，while the long-term performance of voltage balance still needs to be tested.

battery management systems；modular multilevel converter（MMC）；current control；voltage balance

張曌

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.89

TM 46

A

張曌（1993-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術(shù)，E-mail：zhao.zz.zhang@nuaa.edu.cn。

謝少軍（1968-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：功率電子變換技術(shù)和航空電源，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。

曹赟（1993-），女，碩士研究生，研究方向：功率電子變換技術(shù)，E-mail：6265 83946@qq.com。

2015-12-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477077）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477077）