晉山立+趙懷林+和陽(yáng)+朱紀(jì)洪

摘 要： 針對(duì)串聯(lián)電池充放電管理系統(tǒng)存在能耗型均衡效率差、非能耗型均衡控制復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種主被動(dòng)復(fù)合均衡的電池充放電路并對(duì)其進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試。系統(tǒng)包括主動(dòng)均衡電路、被動(dòng)均衡電路、電池組模塊及主控制器。主控制器通過(guò)電池的充放電電流、電池電壓、電池的溫度、均衡算法及SOC算法來(lái)獲得電池的電荷狀態(tài)，通過(guò)主動(dòng)均衡電路控制電池組模塊的電荷均衡；通過(guò)被動(dòng)均衡電路控制電池組中各個(gè)電池間的電荷均衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)很好地解決了目前串聯(lián)鋰電池組充放電存在的損耗大、效率低以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 主動(dòng)控制調(diào)節(jié)； 被動(dòng)均衡調(diào)節(jié)； 復(fù)合均衡； isoSPI通信； SOC計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0148?05

Design and application of a charging and discharging circuit with active and passive composite equilibrium

JIN Shanli1， ZHAO Huailin1， HE Yang2， ZHU Jihong2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China；

2. Department of Computer Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： Since the charging and discharging management system of the series battery has the problems of poor equilibrium efficiency for the battery with energy consumption and complicated control for the battery without energy consumption， a charging and discharging circuit with active and passive composite equilibrium was designed， and its practical application test was performed. The system contains the active equilibrium circuit， passive equilibrium circuit， battery pack module and main controller. The controller acquires the charge state of the battery by means of the charging and discharging current， voltage and temperature of the battery， and equilibrium algorithm and SOC algorithm， controls the electric charge equilibrium of the battery pack module by means of the active equilibrium circuit， and manages the electric charge equilibrium among each battery in the battery pack by means of the passive equilibrium circuit. The experimental results show that the circuit has solved the problems of high consumption， low efficiency and complicated structure existing in the charging and discharging of the series battery pack.

Keywords： active control regulation； passive equilibrium regulation； composite equilibrium； isoSPI communication； SOC calculation

0 引 言

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能源管理系統(tǒng)是對(duì)太陽(yáng)能電池、儲(chǔ)能電池及負(fù)載間的能源調(diào)度。為了提高系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池的使用效率和使用壽命，電池的充放電管理和狀態(tài)預(yù)測(cè)是核心問(wèn)題。儲(chǔ)能電池的充放電管理的核心問(wèn)題主要是儲(chǔ)能電池的充放電均衡問(wèn)題[1?3]。針對(duì)于儲(chǔ)能電池的充放電管理及狀態(tài)預(yù)測(cè)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究。當(dāng)下應(yīng)用最多的電池均衡方案主要有被動(dòng)式均衡電路和主動(dòng)式均衡電路。被動(dòng)式均衡充電電路以均衡速度快、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)是目前應(yīng)用最多的均衡方式，但是被動(dòng)式均衡充電電路在均衡過(guò)程中會(huì)消耗大量能量，所以被動(dòng)式均衡充電電路并不是電池充放電管理的理想選擇；主動(dòng)式均衡充電電路以充電效率高的特點(diǎn)成為鋰電池充放電管理的最佳選擇，但是由于主動(dòng)式均衡充放電電路控制難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等特點(diǎn)仍然不能成為電池充放電管理的理想選擇[4?6]。為了解決當(dāng)下儲(chǔ)能電池均衡充放電管理效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種主被動(dòng)復(fù)合均衡的電池充放電電路。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括主動(dòng)均衡電路、被動(dòng)均衡電路、電池組模塊及主控制器四個(gè)部分。主控制器通過(guò)被動(dòng)均衡電路傳輸?shù)碾姵氐某浞烹婋娏?、電池的電壓、電池的溫度等信?hào)，結(jié)合均衡算法和SOC算法來(lái)獲得電池的荷電狀態(tài)及電池的健康狀態(tài)。主控制器通過(guò)調(diào)壓控制信號(hào)調(diào)節(jié)主動(dòng)均衡電路輸出電壓，從而控制電池組間的電荷平衡；通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制被動(dòng)均衡電路中的被動(dòng)式均衡電路，從而控制電池組內(nèi)各個(gè)電池間的電荷量的均衡。如圖1所示。

主被動(dòng)復(fù)合均衡的充放電路實(shí)物圖如圖2所示，該電路板體積是216 mm×65 mm×15 mm。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

主被動(dòng)復(fù)合均衡充放電路主要包括主動(dòng)均衡電路、被動(dòng)均衡電路、電池組模塊及主控制器4個(gè)部分。主動(dòng)均衡電路由DC?DC電源模塊及其調(diào)壓控制電路兩個(gè)部分構(gòu)成；被動(dòng)均衡電路由電壓檢測(cè)及能耗控制電路、電流檢測(cè)電路及溫度檢測(cè)電路3個(gè)部分構(gòu)成；所用的主控制器是SPC5604P；電池組模塊是由N節(jié)單體鋰電池串聯(lián)連接組成（其中8≤N≤12）。

2.1 主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主動(dòng)均衡電路為鋰電池組模塊提供充電電壓。主動(dòng)均衡電路是為了控制調(diào)節(jié)串聯(lián)鋰電池充電電壓，更好地實(shí)現(xiàn)快速的充電，最大程度地提高充電效率設(shè)計(jì)的。如圖3所示，該電路能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)DC?DC電源模塊輸出電壓的控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在40～56 V的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。這樣一方面很好地防止了系統(tǒng)在充電開(kāi)始時(shí)由于電池初始電量過(guò)低，充電電壓太大導(dǎo)致充電電流過(guò)大，造成電池壽命損耗；另一方面，該控制電路可以實(shí)時(shí)地跟隨調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)電池組的恒流充電，減小系統(tǒng)的充電時(shí)間，提高充電效率[7?8]。

當(dāng)電路工作時(shí)，檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)串聯(lián)鋰電池組的單體電池電荷量并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給控制器，控制器通過(guò)解算當(dāng)前電池的電荷量，判斷并選擇當(dāng)前充電的最大電流。當(dāng)單電池電壓低于3.3 V時(shí)，主控制器通過(guò)I/O口模擬產(chǎn)生的I2C信號(hào)來(lái)控制調(diào)節(jié)主動(dòng)均衡電路，減小供電系統(tǒng)的輸出電壓，從而減小串聯(lián)電池組的充電電流，防止由于充電電流過(guò)大所引起的電池的壽命損耗；當(dāng)電池電壓高于3.3 V并且低于4 V時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)微調(diào)控制電路相應(yīng)地調(diào)高供電系統(tǒng)的輸出電壓，提高充電電流，并在系統(tǒng)的充電過(guò)程中采取電流閉環(huán)，實(shí)時(shí)跟蹤串聯(lián)鋰電池組的總電壓，維持恒定壓差，實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)鋰電池組的恒流充電。當(dāng)電池的電壓高于4 V時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)略微調(diào)高電源模塊的輸出電壓，相應(yīng)地提高系統(tǒng)的充電電流，從而減少充電時(shí)間，提高充電效率。

2.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)主要有電阻法、電流互感法、霍爾效應(yīng)電流傳感器法等。電阻法的測(cè)量精度受溫度的影響較大，且需要另外采用線(xiàn)性光耦實(shí)現(xiàn)隔離，因此在對(duì)溫度要求很高的情況下，電阻法效果并不好；而電流互感器在測(cè)量動(dòng)態(tài)或低頻電流信號(hào)時(shí)也同樣存在著精度不高的問(wèn)題；相比之下，霍爾式電流傳感器卻既具有電磁隔離的優(yōu)勢(shì)，又具有很高的精度，所以采用霍爾電流傳感器是目前最為理想的選擇?；魻栯娏鱾鞲衅魇菓?yīng)用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理開(kāi)發(fā)的新一代電流傳感器，具有無(wú)慣性、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的隔離作用。電池組充電電流采樣芯片采用ALLEGRO公司的檢測(cè)電流范圍為±5 A、線(xiàn)性、低內(nèi)阻霍爾電流傳感器ACS723，其采樣電路如圖4所示，電流從IP+端流入，從IP-流出，在VOUT端產(chǎn)生與電流成正比的電壓信號(hào)，輸出電壓和檢測(cè)電流存在著一次函數(shù)的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，電流的輸入在-5～5 A的范圍變化時(shí)，相應(yīng)的輸出模擬電壓的范圍為0.5～4.5 V。該電壓信號(hào)被送到SPC5604P，經(jīng)過(guò)處理后顯示在上位機(jī)上。

2.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了更好地提高系統(tǒng)的安全性和更好地監(jiān)控電池組在充放電過(guò)程中單體鋰電池的狀態(tài)，系統(tǒng)對(duì)每節(jié)單體鋰電池的溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集。在工程應(yīng)用中，溫度量的采集通常是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一種是熱電偶，就是隨著溫度的變化，在熱電偶的輸出端有一個(gè)電壓隨著溫度的變化而變化，將這個(gè)電壓進(jìn)行放大，就可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示或者去控制相應(yīng)的自動(dòng)設(shè)備。另一種是熱電阻，利用電阻性材料的溫度特性，即測(cè)溫元件隨著測(cè)量溫度的變化電阻值也在變化，利用電阻阻值隨溫度變化的特性，通過(guò)放大電路，就可以得到一個(gè)溫度信號(hào)，進(jìn)而將溫度參數(shù)顯示在上位機(jī)上[9]。本文結(jié)合項(xiàng)目的要求及空間需求采用第二種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的采集，如圖6所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，熱敏原件NTC緊貼在鋰電池表面，通過(guò)采集NTC端電壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)對(duì)應(yīng)鋰電池在充放電過(guò)程中溫度的變化。其中VREF是系統(tǒng)提供的參考電壓。

2.4 電壓檢測(cè)及能耗控制電路設(shè)計(jì)

均衡檢測(cè)方案根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為電路均衡檢測(cè)方案和芯片均衡檢測(cè)方案，電路均衡檢測(cè)方案主要是根據(jù)鋰電池充放電特性和鋰電池電荷量的關(guān)系來(lái)近似地得到鋰電池電荷狀態(tài)，該方案可以滿(mǎn)足一些對(duì)精度要求不高的工程需求；芯片均衡檢測(cè)方案是采用當(dāng)前具有集成均衡檢測(cè)功能的芯片來(lái)檢測(cè)充電鋰電池的電荷狀態(tài)[10]。從效率和工作的精度上兩個(gè)方面分析，本文采用了具有集成均衡檢測(cè)功能的LTC6804?2芯片，該芯片具有可以同時(shí)測(cè)量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)電池的電壓、可堆迭式架構(gòu)支持幾百節(jié)電池、內(nèi)置isoSPI通信并且距離長(zhǎng)達(dá)100 m、低EMI干擾和輻射、總測(cè)量誤差在1.2 mV內(nèi)、可以在290 μs內(nèi)完成對(duì)所有電池的檢測(cè)、16位增量累加型ADC、同時(shí)也可以編程被動(dòng)均衡電池電荷等優(yōu)點(diǎn)。如圖7所示，系統(tǒng)工作時(shí)，LTC6804?2通過(guò)端口C0～C12實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)鋰電池的端電壓的檢測(cè)，該信號(hào)將通過(guò)IPA和IPM端口傳輸給主控制器SPC5604P；芯片通過(guò)端口S1～S12來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電荷量的被動(dòng)均衡調(diào)節(jié)。當(dāng)芯片檢測(cè)到某一節(jié)單體電池電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該端口被置低，從而使開(kāi)關(guān)管QM導(dǎo)通工作，通過(guò)能耗電阻對(duì)該電池進(jìn)行均衡。系統(tǒng)采用串聯(lián)鋰電池端電壓為芯片V+供電，同時(shí)該電壓經(jīng)過(guò)三極管P3為L(zhǎng)TC6804?2內(nèi)部提供參考電壓。其中S1是撥碼開(kāi)關(guān)，TEMP口是溫度采集端口，VOUT口是電流采集端口，其中0≤M≤12。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛思卡爾SPC5604P作為控制系統(tǒng)的主控制器，在Codewarrior 2.1的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程測(cè)試的。根據(jù)系統(tǒng)的充放電過(guò)程，將系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程做了如圖8所示分析的流程圖。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，主控制器SPC5604P對(duì)LTC6804?2初始化，從而使LTC6804?2進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)一切進(jìn)入正常狀態(tài)后，主控制器控制LTC6804?2讀取電池組的狀態(tài)信息如電流信號(hào)、電壓信號(hào)、溫度信號(hào)等。主控制器通過(guò)對(duì)得到的電流信號(hào)、電壓信號(hào)、溫度信號(hào)解算獲得當(dāng)前鋰電池的電荷量及健康狀態(tài)，進(jìn)而選擇充合適的充電狀態(tài)。當(dāng)電池組的總電荷量小于10%時(shí)，系統(tǒng)將選擇進(jìn)入涓流充電。該充電狀態(tài)下，系統(tǒng)將以小電流對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，該充電狀態(tài)很好地防止了大電流充電對(duì)電池造成的損耗。當(dāng)系統(tǒng)SOC狀態(tài)大于10%且小于90%時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，該狀態(tài)是采用大電流對(duì)電池組進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的快速充電。在該狀態(tài)下，當(dāng)有某節(jié)電池電荷量高于或者低于設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)該節(jié)電池進(jìn)行均衡控制調(diào)節(jié)。當(dāng)電池組的SOC狀態(tài)大于90%時(shí)，系統(tǒng)選擇進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，在該狀態(tài)下，系統(tǒng)將保持恒壓對(duì)電池組持續(xù)充電，直到系統(tǒng)SOC等于1，完成電池組充電。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)的控制調(diào)壓電路，對(duì)該電路的主動(dòng)調(diào)壓控制進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)在主動(dòng)均衡電路輸入端為電源模塊提供82～182 V范圍的輸入電壓，在主動(dòng)均衡控制的控制端采用I2C總線(xiàn)控制的方式對(duì)芯片P11輸入0～4 096范圍連續(xù)變化的數(shù)據(jù)時(shí)，可以得到如圖9所示的電源模塊的輸出結(jié)果。在圖9中，黃線(xiàn)是光耦輸入端信號(hào)，綠線(xiàn)是電壓模塊輸出電壓?？梢钥吹诫娫茨K的輸出電壓可以通過(guò)I2C總線(xiàn)控制。當(dāng)對(duì)輸入連續(xù)變化的信號(hào)，對(duì)應(yīng)的電源模塊輸出電壓同樣會(huì)在40～56 V內(nèi)連續(xù)變化。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)在充電過(guò)程的能量存儲(chǔ)效率，利用程控電源對(duì)系統(tǒng)的充電輸入功率與電池充電存儲(chǔ)功率進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中采用18650鋰電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，容量=3 100 mA·h，工作電壓=3.7 V，最大電壓4.2 V，程控電源輸出電壓=125 V，電源模塊工作效率=84%，電源模塊的額定功率50 W。當(dāng)程控電源以電源模塊滿(mǎn)功率輸入對(duì)電池組進(jìn)行充電時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)249 min完成充電。當(dāng)系統(tǒng)以電源模塊75%功率對(duì)電源模塊進(jìn)行充電時(shí)，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)363 min完成充電過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)以電源模塊50%的工作效率進(jìn)行充電時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)587min完成充電。表1為18650充電效率計(jì)算，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)的可靠性和實(shí)時(shí)性，建立了基于LabVIEW的上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)驗(yàn)和驗(yàn)證。該上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地顯示充電過(guò)程中電池電荷狀態(tài)。如圖10所示，當(dāng)串聯(lián)鋰電池組在充放電過(guò)程中不采用均衡調(diào)節(jié)時(shí)，電池會(huì)隨著時(shí)間的積累出現(xiàn)電荷差[7]。這是由于電池出廠(chǎng)工藝的不同，在充放電過(guò)程中表現(xiàn)出了很大的差異。由于串聯(lián)鋰電池組的“短板效應(yīng)”，系統(tǒng)在充電時(shí)，由于充電速度快的電池，系統(tǒng)會(huì)提前結(jié)束充電；系統(tǒng)在放電時(shí)，電荷量少的或者放電速度快的會(huì)提前結(jié)束放電，這樣會(huì)很大程度的影響系統(tǒng)的供電效率。如圖11所示，當(dāng)系統(tǒng)采用均衡控制對(duì)充放電鋰電池組進(jìn)行管理時(shí)，看到電池電荷誤差維持在20 mV范圍內(nèi)，電池組之間的單體電池電荷間的誤差同樣維持在20 mV內(nèi)。數(shù)據(jù)顯示表明，系統(tǒng)在串聯(lián)鋰電池組的充電過(guò)程中很顯著地實(shí)現(xiàn)了電荷調(diào)節(jié)，無(wú)論是單電池組內(nèi)部的電荷均衡還是電池組間的電荷均衡，系統(tǒng)都很好地實(shí)現(xiàn)了均衡控制。測(cè)試結(jié)果顯示即便是在大電流充電的狀態(tài)下仍然可以很好地調(diào)節(jié)電池組間電荷的平衡。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種主被動(dòng)復(fù)合均衡的充放電路，系統(tǒng)從主動(dòng)均衡控制和被動(dòng)均衡調(diào)節(jié)兩個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合電池的充放電電流、電池電壓以及溫度等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)鋰電池組充電電荷的均衡控制及電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該電路既提高了串聯(lián)鋰電池組充放電效率又優(yōu)化了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，又大大地提高了系統(tǒng)整體的充放電效率，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)串聯(lián)鋰電池組充放電管理。

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