王 碩， 吳愛國， 吳國強

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072)

基于CAN總線的鋰離子電池組充電管理系統(tǒng)

王 碩， 吳愛國， 吳國強

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072)

鋰電池串聯(lián)用作設備電源時，各節(jié)電池單體的個體差異比較大，會導致電池放電特性不一致。通過對鋰離子電池組充電特性研究，運用PID控制算法控制電池單體恒流恒壓充電，各個模塊通過CAN總線上傳電壓電流電量信息，實現(xiàn)電池單體監(jiān)控，實現(xiàn)恒流、恒壓充電、過流、過壓及短路保護，該設計使得每個模塊獨立運行，完成充電后電池均衡性強，并明顯提高了控制精度。

CAN總線；鋰電池；恒流恒壓充電；VICOR模塊；克服死區(qū)的PI控制算法

鋰離子電池單體電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長，安全無公害，成為各種動力設備的理想電源，當鋰電池用于動力設備時，需要將每個單體串聯(lián)起來，由于電池單體內阻和放電倍率的不同，個體差異較大，各自充電放電特性不同，串聯(lián)起來的電池組的容量由單體電池的最小容量決定[1]；同時，由于充電電池的種類單一，現(xiàn)階段研究的充電器功能較單一，通常只能對特定參數(shù)的鋰電池進行充電，不同型號鋰電池具有不同的充電參數(shù)。為此，研發(fā)一個性能穩(wěn)定、運行可靠、一致性強、適應性強的鋰離子電池組充電器顯得十分重要。

本文在考慮到鋰離子電池充電特性基礎下，為了解決上述串充時，每個電池單體均衡性較差的問題，設計并實現(xiàn)了基于VICOR模塊的鋰離子電池充電器，采用模塊化的思想，通過CAN總線同觸摸屏進行通信，觸摸屏實現(xiàn)存儲、實時曲線、實時通信功能，克服了一般充電器過充、充電不足以及充電不一致、運行不可靠的缺點[2]，并且具有良好的通用性。

1 鋰電池充電特性

如圖1所示，鋰電池常規(guī)充電法是按預充、恒流、恒壓三個階段進行的，本款充電控制模塊可以針對各種鋰離子電池進行充電。由于電池電壓超過4.25 V，將會造成電池的永久性破壞，通常鋰電池充電電流應限制在1C以下。放電時，單體電池不得低于2.8 V，否則也將會造成永久性的損壞。鋰離子電池放電起始電壓4.1或4.2 V，采用1C放電速率，當單體電壓降到2.8 V時，可以釋放額定容量的90%。本設計采用恒流-恒壓充電方式，恒流充電階段，電流在0～10 A可設定，恒流充電時，當單體電壓上升到截止電壓4.18或4.20 V時，由充電機控制轉入恒壓充電，恒壓充電電壓為4.18 V?？刂坪銐撼潆娺^程中，充電電流逐漸減小，當電流減小到0.1C時，充電完成，切斷充電，保護電池不因為過充而損壞。

圖1 電池充電特性圖

2 系統(tǒng)結構圖

鋰離子充電管理系統(tǒng)由整流模塊部分、充電控制部分、電池單體部分、CAN總線上位機組成，如圖2所示。

圖2 充電管理系統(tǒng)結構圖

(1)整流模塊部分，如圖3所示整流電路，整流部分輸入是三相四線的50 Hz的工頻交流電，經(jīng)過半橋整流電路，電感電容濾波后可以提供近300 V電壓。

圖3 三相四線半橋整流電路

(2)充電控制模塊部分，本部分是充電系統(tǒng)的核心，采用DSP2812控制VICOR模塊的方案，即用VICOR設計一個可調的恒壓恒流源，完成恒流恒壓控制。

(3)電池單體部分，由72個電池單體組成，每個電池單體是18 Ah容量，滿容量時總電壓近似為300 V，每個電池單體有兩根充電線，兩根檢測線，用于充電以及檢測。

(4)CAN總線上位機部分，72個模塊總線相連上傳至CAN總線觸摸屏[3]，本設計采用維控公司的觸摸屏LEVI102A，完成人機界面的功能?？梢钥刂瞥潆姷膯⑼?，完成電壓電流電量的監(jiān)控曲線，以及過壓過流報警功能。

3 并充模塊的硬件部分

充電控制模塊是整個設計的核心部分，其中包括兩大部分：VICOR模塊和DSP2812控制部分(圖4)。

圖4 充電控制模塊硬件連接

3.1 VICOR模塊

VICOR模塊是一款高功率密度的DC-DC轉換模塊，其輸入和輸出是電壓隔離的，產(chǎn)品有多種功率等級可以選用，廣泛應用于各種電力電子領域。本設計選取型號V300C5T100BL，VICOR采用零電流諧振變換，開關頻率高達40 MHz，極大地縮小了電源尺寸。第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS(零電流/零電壓開關)技術，能有效率、低噪聲、高頻操作。輸入支持電壓的范圍是180～375 V，輸出0.5～7 V可調，功率為100 W，VICOR控制端為0～1.23 V，對應輸出電壓0～5 V，基本呈線性關系。輸出電壓編程可通過固定電阻、電位器或者DAC調整或程控轉換器的輸出電壓，輸出經(jīng)過一個肖特基二極管直接供給鋰電池。

3.2 DSP2812控制部分

該部分主要包括供電、采樣、控制三個部分[4]，本設計方案采用TI公司所生產(chǎn)的TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為主控單元，該型號DSP支持在C語言中直接嵌入?yún)R編語言進行開發(fā)，該款芯片廣泛應用于各種電子裝備的開發(fā)領域中。

(1)DSP2812的供電。DSP控制單元的供電系統(tǒng)由充電線復用，經(jīng)過升壓隔離變換到5 V，升壓電路的范圍是2.8～5.5 V，產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V，隔離后供給TI公司的TPS70302芯片產(chǎn)生3.3和1.8 V的內核電壓供給DSP，同時隔離的5 V電源也提供給DA、磁耦、電壓隔離變換器以及電流傳感器等外圍設備。

(2)電壓電流的采樣，由于DSP內部AD為12位，輸入電壓范圍是0～3 V，電壓電流需要隔離采樣進入DSP的AD里，電壓采用一個電壓線性變化器，其作用是輸入0～5 V電壓范圍，隔離輸出一個除2的關系，變換到0～2.5 V，精度可以達到0.1%，電流傳感器采用的是allegro公司的ACS712-20A的電流傳感器，該傳感器可以測量20 A以內的電流，2.5 V為基準，靈敏度為100 mV/A，經(jīng)過2個LM385(1.23 V基準穩(wěn)壓管)偏移進入DSP內部AD中。

(3)電壓、電流的調節(jié)，電壓電流的調整是通過DSP的SPI串行外設接口通過磁耦ADUM1300隔離控制12位精度DA芯片DAC7311完成的，本設計的DA是12位精度控制VICOR模塊的次級控制端SC，完成對充電線的電壓的控制，電壓電流構成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)使VICOR實現(xiàn)恒流源或者恒壓源的目的。

4 充電控制部分

電流閉環(huán)調節(jié)，電流閉環(huán)恒流調節(jié)階段的控制系統(tǒng)框圖如圖5，設定電流和反饋檢測電流相比較之差，送給PI調節(jié)器，控制DA輸入數(shù)字量調整VICOR使輸出電流保持恒定。由于電池初始時含有電動勢(3 V左右)，即控制對象含有死區(qū)特性，開始調節(jié)前，采用將電池電壓作為VICOR輸出的調節(jié)起點，可以克服死區(qū)帶來的調節(jié)速度慢的特點，恒流充電階段，電壓要限定在范圍內，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

為了克服電池自帶的電動勢死區(qū)特性，針對VICOR在電路中的使用，調整滑動變阻器使輸出電壓基本為3 V作為調整起點，多次測量得到如圖6曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)，控制電壓和輸出電壓基本成線性關系。

圖5 恒流充電閉環(huán)控制框圖

圖6 VICOR控制電壓和輸出電壓關系

經(jīng)過一次線性擬合我們得到VICOR在本次設計的電路中控制端和輸出端的關系為式(1)：

通過式(1)，可以將采樣的電池電壓，反解出控制端的電壓，作為克服死區(qū)特性的PI控制的調節(jié)起點，采用增量PI控制算法如式(2)所得，將輸入的控制量u疊加迭代增量Δu，從而不斷修正DA使VICOR恒流輸出，完成電池恒流充電過程。

電壓閉環(huán)調節(jié)，電壓閉環(huán)恒壓調節(jié)階段的控制系統(tǒng)框圖如圖7，設定電壓和反饋檢測電壓比較之差送給PI調節(jié)器，控制DA輸入數(shù)字量，調整VICOR使輸出電壓恒定。同時，恒壓階段采用限流充電方法，電流反饋和限定電流值比較，如果采集的電流值大于限定的電流值，則通過PI調節(jié)降低給定的電壓，如果采集的電流值小于限定電流值，正常調節(jié)，完成恒壓階段限流的目的。

圖7 恒壓限流充電閉環(huán)控制框圖

5 系統(tǒng)軟件設計

充電系統(tǒng)的軟件結構流程圖如圖8所示，充電程序分為主循環(huán)和初始化兩部分，主循環(huán)包括以下四個部分：

圖8 充電程序流程圖

(1)電壓電流采樣以及格式轉化，電壓電流的采樣是通過DSP內部AD進行的，并且進行了數(shù)字濾波與校正，在對單體電池測量時，采用同一時間采樣8次，通過除去極值取平均值的方法，來獲得較高的采樣精度，并且采用了線性校準程序，提高了AD采樣的精度；

(2)ECAN通信，系統(tǒng)的通信采用了主從模式，上位機與模塊的CAN通信機制采用輪詢的方式進行通訊，上位機首先向特定模塊發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，該模塊接收到后回傳給上位機相應數(shù)據(jù)，下一通訊周期繼續(xù)重復該操作。當接收到上位機CAN總線傳來的啟動信號時，通過CAN總線上傳數(shù)據(jù)電壓電流；

(3)模式切換以及過壓過流報警，充電控制模塊可以通過判斷電壓和電流值是否超過限制，如果超過限制即視為過壓或過流，則產(chǎn)生報警，并點亮故障指示燈，切斷充電電源，保證充電過程穩(wěn)步進行。充電過程一旦到達截止電壓切換到恒壓模式，在恒壓模式下，一旦電流下降到0.5 A左右完成充電。

(4)恒流恒壓調節(jié)方法，調節(jié)方法采用的是克服死區(qū)的PI算法，通過每步計算的增量，不斷修正DA輸入數(shù)字量，恒流恒壓充電調節(jié)是通過控制VICOR控制端的電壓來進行閉環(huán)調節(jié)的。

6 鋰電池充電實驗及其結論

通過論文設計的鋰電池充電單模塊實驗裝置在完成上述功能條件下對鋰離子電池全充電過程進行了調試。觸摸屏上位機通過CAN巡檢72個電池電壓和電流的數(shù)據(jù)，將顯示的數(shù)據(jù)記錄在觸摸屏的存儲區(qū)中，對于單模塊電池單體，充電實驗恒流階段采用3 A充電，當電壓達到截止電壓4.2 V時，轉入恒壓充電方式，維持充電電壓4.2 V，經(jīng)過了6 h的充電過程，根據(jù)得到的電壓電流歷史數(shù)據(jù)，繪制了如圖9的鋰電池充電全過程的電壓電流曲線。

圖9 電池充電電流電壓充電曲線圖

從所得的電壓電流值精度，控制電壓的精度可以在20 mV以下，控制電流的精度可以在0.1 A。采用克服死區(qū)特性的PI方法，快速，控制平穩(wěn)準確，無電壓超調，恒流轉恒壓時，過度平滑，恒壓階段電流逐漸下降，最終下降到0.3 A時，完成充電。

實驗結果表明該設計結構簡潔，模塊可擴展性強，通信可靠，充電模塊體積較小，電池單體充電充分，一致性強，采用克服死區(qū)的PI增量算法，響應速度提高，控制平穩(wěn)，無超調。

[1]張建生，王偉，張燕紅.電源技術教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：163-167.

[2]郭軍，劉和平.純電動汽車動力鋰電池均衡充電的研究[J].電源技術，2012，36(4)：479-482.

[3]鄭敏信，齊鉑金，吳紅杰.基于雙CAN總線的電動汽車電池管理系統(tǒng)[J].汽車工程，2008，30(9)：788-795.

[4]樊海軍，丁學明，徐紅平.鋰電池組智能管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].電源技術，2011，35(5)：510-513.

Management system for Li-ion battery charging based on CAN bus

Li-ion battery series were applied to equipment as power source.Because of the battery individual difference,the battery discharge characteristics were not consistent.Through the research on the Li-ion battery charging characteristics, PID control algorithm was used to control single battery constant current charging and constant voltage charging.Modules voltage,current and energy information were uploaded through CAN bus in order to implement single battery monitoring,constant voltage charging,constant current charging,over-current protection, over-voltage protection and short circuit protection.In this design,each module was operated independently.After completed charging battery,the results show that equalization is achieved,and the control precision is improved obviously.

CAN bus;Li-ion battery;constant current and voltage charging;VICOR module;PI algorithm with the dead time compensator

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0499-04

2015-08-29

王碩(1988—)，男，河北省人，碩士生，主要研究方向為直流無刷電機控制，動力鋰電池管理系統(tǒng)；導師：吳愛國(1954—)，男，天津市人，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子裝置，液壓機控制，制冷系統(tǒng)控制。