李建輝 王彩申 林心笑

（1.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 2.東莞理工學(xué)院）

基于Buck-Boost鋰離子電池組均衡電路設(shè)計(jì)*

李建輝1王彩申2林心笑1

（1.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 2.東莞理工學(xué)院）

針對(duì)鋰離子電池組電池的不一致性，提出一種Buck-Boost鋰離子電池組均衡電路方案。以MSP430F5529和電池管理芯片BQ20Z45為核心構(gòu)建最大值法的均衡控制策略，實(shí)現(xiàn)單體電池荷電狀態(tài)的一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均衡管理可解決荷電狀態(tài)失配和容量/能量失配，從而改進(jìn)串聯(lián)鋰離子電池組的性能。

電池管理系統(tǒng)；均衡管理技術(shù)；Buck-Boost型電源變換電路

0 引言

鋰電池以高能量密度、高重復(fù)循環(huán)使用次數(shù)、重量輕和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為新能源汽車(chē)的主要?jiǎng)恿﹄姵仄贩N[1]。為滿足車(chē)載能源系統(tǒng)電壓和容量需求，需要大量的電池串并聯(lián)。雖然電池組由同樣規(guī)格的單體電池組成，但由于單體電池制造過(guò)程中性能的分散性和使用過(guò)程中電池組內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，導(dǎo)致荷電狀態(tài)不平衡，嚴(yán)重時(shí)，致使電池永久性損壞。因此保持動(dòng)力系統(tǒng)電源的荷電能力，提高其安全性和壽命，均衡管理非常重要。

針對(duì)動(dòng)力電池均衡系統(tǒng)的研究，有非能耗型均衡和能耗型均衡2類(lèi)。非能耗型通過(guò)電容或電感類(lèi)的非耗能元件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移；能耗型通過(guò)電阻消耗高出的電量以實(shí)現(xiàn)均衡[2]。近幾年，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)基本放在非能耗型均衡，主要有：對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式DC-DC變換法[3]，成本高、控制復(fù)雜、技術(shù)要求較高；開(kāi)關(guān)控制旁路電容的開(kāi)關(guān)電容法[4]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，均衡時(shí)間較長(zhǎng)，不能檢測(cè)單體電壓，存在較強(qiáng)的電磁干擾；多繞組變壓器法通過(guò)變壓器繞組實(shí)現(xiàn)低電量電池在充電過(guò)程中吸收更多能量[5-6]，硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，控制容易，但維修成本較高；ZCS和ZVS等軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也引入了電池均衡研究[7-8]。均衡判據(jù)是電池均衡方法最關(guān)鍵的參數(shù)，判據(jù)主要為電壓。目前有很多方法估計(jì)荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），如安時(shí)法、開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波法以及這些方法的結(jié)合等。本文提出Buck-Boost型變換均衡法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)較少；均衡策略以單體SOC為判據(jù)。每2節(jié)單體電池有1個(gè)獨(dú)立的均衡單元，對(duì)數(shù)目小的串聯(lián)電池組容易實(shí)現(xiàn)，均衡精度高、速度快。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電池雙向均衡電路在多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)中應(yīng)用的電路如圖1所示，每相鄰2節(jié)電池需要1個(gè)均衡單元，每個(gè)均衡單元結(jié)構(gòu)形式完全相同。因此，本文采用2節(jié)電池組進(jìn)行研究與試驗(yàn)，其結(jié)果可直接擴(kuò)展應(yīng)用到多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 基于Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電池雙向均衡電路

基于Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電池均衡電路系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，由微處理器單元、電池管理單元、均衡單元、顯示單元和通訊接口等組成。電池管理單元采集電池電壓等模擬參數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)化后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，儲(chǔ)存在其內(nèi)部的存儲(chǔ)器內(nèi)。微處理器通過(guò)SMBus總線，讀取電池電壓等信息，依據(jù)均衡控制算法輸出PWM信號(hào)。PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)均衡單元內(nèi)功率開(kāi)關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)電池間能量轉(zhuǎn)移。RS232C通訊接口可用于數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，顯示單元顯示電池電壓、電流、電池荷電狀態(tài)等信息。

圖2 均衡電路系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 均衡單元

基于Buck-Boost型的電池均衡單元由儲(chǔ)能電感L1，肖特基二極管VD1、VD2和N-MOSFET開(kāi)關(guān)管VT1、VT2組成。

電池B1向電池B2能量轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。其工作過(guò)程：當(dāng)VT1 G端的PWM信號(hào)為高電平時(shí)，VT1導(dǎo)通，電感Ll從電池Bl汲取能量，電流通路Bl+ →VT1→ L1→Bl－→B1+；當(dāng)PWM為低電平時(shí)，VT1關(guān)閉，電感Ll產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)且維持續(xù)流，二極管VD2導(dǎo)通，電感釋放能量給B2以轉(zhuǎn)移能量，電流依次流過(guò)以下通路L1 → B2+→B2－→VD2→L1，實(shí)現(xiàn)B1向B2能量轉(zhuǎn)換。

圖3 B1向B2能量轉(zhuǎn)換原理圖

B2向B1能量轉(zhuǎn)換原理圖如圖4所示，其工作流程與B1向B2能量轉(zhuǎn)換同理。

圖4 B2向B1能量轉(zhuǎn)換原理圖

2.2 微處理器單元

本文采用MSP430F5529微處理器，其內(nèi)部集成的外設(shè)或功能部件有：捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器、12位ADC、2個(gè)通用串行通訊接口支持增強(qiáng)UART、IrDA、同步SPI、I2C、同步SPI等硬件，滿足設(shè)計(jì)需求。本文由MSP430F5529 MCU與外圍電路配合完成以下功能：1) 通過(guò)設(shè)置片內(nèi)可編程捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器TA0，產(chǎn)生2路10位PWM；2) 通過(guò)SMBus總線對(duì)電池組的電壓進(jìn)行采樣、均衡管理；3) 均衡算法實(shí)現(xiàn)和均衡控制、驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏，顯示電池的電壓、電流、SOC；4) 通過(guò)RS232C通訊接口，實(shí)現(xiàn)電池組工作狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄及傳輸。

2.3 電池單體電壓SOC檢測(cè)

鋰離子電池組均衡管理的前提是準(zhǔn)確檢測(cè)電池組中單體電池的電壓。電池長(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)，估計(jì)開(kāi)路電壓和SOC關(guān)系的最普遍和準(zhǔn)確的方法是開(kāi)路電壓法[9]。然而電池組中各節(jié)單體電池串聯(lián)使用，電池兩端存在共模電壓，單體電壓的檢測(cè)不能采用直接采樣的方法。

本文中，基于BQ20Z45的電池電壓采樣應(yīng)用電路圖如圖5所示。電路主要由電壓和溫度測(cè)量網(wǎng)絡(luò)、串口和取樣電阻等組成。BQ20Z45芯片最多可測(cè)4節(jié)電池的電壓，其有效分辨率為15位，測(cè)量偏差為10 uV，本文利用VC1和VC2腳監(jiān)測(cè)電池包和單節(jié)電池電壓。

圖5 基于BQ20Z45電池電壓采樣應(yīng)用電路圖

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

均衡電路功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)中需要特別注意的地方。由于所有的MOSFET和電池是非隔離的，有較高的共模電壓，且每個(gè)MOSFET的電位不相等，因此，無(wú)法采用常用的方法將所有MOSFET的源極共電位，這樣會(huì)造成電池直接短路。

本文選用IR2118作為驅(qū)動(dòng)芯片。IR2118是專為驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFET或IGBT而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器。它采用高壓集成電路技術(shù)和無(wú)閂鎖CMOS技術(shù)，可用于工作母線電壓高達(dá)600 V的系統(tǒng)中。其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平兼容，輸出驅(qū)動(dòng)特性可滿足交叉導(dǎo)通時(shí)間最短的大電流驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的設(shè)計(jì)要求。其懸浮通道與自舉技術(shù)使其可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)工作于母線電壓高達(dá)600 V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFET。來(lái)自MCU的PWM信號(hào)先經(jīng)VT1電平轉(zhuǎn)換（滿足IR2118輸入電平需求），加在IR2118的輸入端，輸出端驅(qū)動(dòng)均衡單元的功率開(kāi)關(guān)N-MOSFET。

3 均衡算法與軟件設(shè)計(jì)

3.1 均衡控制策略

本文以2節(jié)鋰電池作為研究對(duì)象，系統(tǒng)采用最大值法，設(shè)Vmax為電池組中單體電壓最大值，Vmin為電池組中單體電壓最小值，θ為設(shè)定的均衡啟動(dòng)電壓閾值（10 mV）。當(dāng)Vmax－Vmin＞ θ時(shí)，均衡模塊將組中最高電壓的單體電池對(duì)應(yīng)的PWM開(kāi)啟，直到Vmax－Vmin≤ θ為止。這種均衡策略主要適用于絕大部分單體電池是均衡的、個(gè)別的單體電池電壓太高或太低的情況。其優(yōu)點(diǎn)是能量消耗相對(duì)較小，缺點(diǎn)是僅對(duì)其中一個(gè)單體進(jìn)行操作，需要的均衡時(shí)間較長(zhǎng)，均衡效率較低[10-11]。

3.2 均衡模塊軟件設(shè)計(jì)

本文的均衡管理算法流程圖如圖6所示。首先讀取每節(jié)單體電池的電壓Vi；然后電池電壓滿足Vmax－Vmin＞ θ的單體電池對(duì)應(yīng)的PWM開(kāi)啟300 s（即均衡300 s)，停止6 s，使2節(jié)電池的電壓穩(wěn)定；最后讀取每節(jié)單體電池的電壓Vi，判斷是否需要再次均衡。通過(guò)控制芯片打開(kāi)各節(jié)單體電池相應(yīng)的PWM通道，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，這樣可提高能量的轉(zhuǎn)移率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 電感電流波形

實(shí)測(cè)均衡單元中電感電流波形如圖7所示。

圖7 均衡過(guò)程電感電流波形

當(dāng)|Vl-V2| ＞10 mV時(shí)，MSP430發(fā)出20 kHz的PWM波。當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Qn導(dǎo)通，電感Ll的電流Is流過(guò)電感線圈L，電感L開(kāi)始儲(chǔ)存電量，電感電流上升；當(dāng)PWM為低電平時(shí)，Qn截止，電感L釋放電量，電感電流下降，直至為0（DCM模式）。

4.2 均衡電路效果實(shí)驗(yàn)

以本文的電池組作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)電池的充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)電池端電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制充、放電均衡電壓曲線圖如圖8(a)、8(b)所示。

充電均衡實(shí)驗(yàn)：充電前，V1為3272 mV，V2為2868 mV，電池組處于不均衡狀態(tài)，電壓差為404 mV。充電停止時(shí)，電壓差縮小到10 mV左右，均衡效果明顯。

放電均衡實(shí)驗(yàn)：放電前，V1為4123 mV，V2為3762 mV，電池組處于不均衡狀態(tài)，電壓差為361 mV。放電結(jié)束后，電壓差縮小到10 mV左右，均衡效果明顯。

圖8(a) 充電均衡電壓曲線圖

圖8(b) 放電均衡電壓曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

均衡管理技術(shù)是鋰離子電池管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，它可防止單體電池過(guò)充和過(guò)放，從而最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，還保證動(dòng)力電池充放電過(guò)程的安全高效。本文所設(shè)計(jì)的均衡管理模塊，采用雙向Buck-Boost型電源變換的均衡電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不僅精確地測(cè)量了單體電池的電壓、SOC、系統(tǒng)的功耗電流和溫度參數(shù)，且還能實(shí)時(shí)地進(jìn)行均衡過(guò)程控制，有效地使各單體電池的能量趨于一致。但是，該均衡模塊對(duì)單體電池的低功耗和效率還有待提高，均衡的功能還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

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Equalization Circuit Design Based on Bidirectional Buck-Boost Power Converter Circuit For Lithium Battery

Li Jianhui1Wang Caishen2Lin Xinxiao1
(1.City College of Dongguan University of Technology 2. Dongguan University of Technology)

Due to the problem of charge imbalance for lithium ion battery cell, the paper proposes a bidirectional buck boost power converter circuit as equalization circuit. Equalization algorithm based on microprocessor MSP430F5529 and battery management chip BQ20Z45 as core of the implementation and has the voltage of the battery, SOC display and other functions. The results show that the equilibrium management can solve the loss distribution of the charged state (SOC) and the capacity of the (C/E) mismatch, thereby improving the performance of the series of lithium ion batteries.

Battery Management System; Cell Equalization Technology; Buck-Boost Power Conversion Circuit

李建輝，男，1983年生，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、電源管理等。E-mail: lijh0511@163.com

東莞市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014106101021，2014108101034）