王燦燁 劉庚辛 王鑫泉 符興鋒

（1.華南理工大學(xué)，廣州 510640；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車重要的能量存儲(chǔ)裝置和動(dòng)力來源，直接影響整車的安全性[1-2]。為滿足電動(dòng)汽車工作時(shí)的大電流和高電壓等需求，鋰電池單體需要通過串、并聯(lián)的方式以多種組合形式形成合適的電池模組。受工業(yè)生產(chǎn)和工藝水平的限制，動(dòng)力電池存在細(xì)微的不一致性，而外界環(huán)境變化引起的電池內(nèi)阻、容量的變化會(huì)加劇這種不一致性，導(dǎo)致電池負(fù)載能力和使用能力的進(jìn)一步下降[3-4]。為了提高電池單體的一致性，提高電池能量利用率，必須對(duì)電池單體間的不一致性進(jìn)行均衡管理。動(dòng)力電池不一致性的均衡管理一般由動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）進(jìn)行。BMS的均衡管理功能可避免動(dòng)力電池單體長(zhǎng)時(shí)間存在較大的溫差造成電池一致性的惡化，從而改善動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命[1-2]。

動(dòng)力電池的均衡管理是動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容之一。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種主動(dòng)均衡的方式。根據(jù)電池單體能量的轉(zhuǎn)移方式可分為電感式、電容式、變壓器式和其他開關(guān)電路拓?fù)涞姆绞絒5-7]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究起步較早，德國(guó)已經(jīng)有比較成熟的BMS；國(guó)內(nèi)已有公司研發(fā)了帶有“主動(dòng)均衡、無(wú)線傳輸”核心功能的BMS產(chǎn)品，較為顯著地解決了鋰離子動(dòng)力電池組不一致性的問題[4]。

本文基于主動(dòng)均衡策略，在采用變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的主動(dòng)均衡方案和控制方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋰離子的特點(diǎn)和工作要求，設(shè)定均衡電路性能指標(biāo)，完成均衡電路的仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該主動(dòng)均衡方案的可行性。

2 動(dòng)力電池均衡管理系統(tǒng)基本類型

動(dòng)力電池均衡管理系統(tǒng)的均衡方式主要為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡[8]。被動(dòng)均衡的工作特點(diǎn)是以電阻放電的方式，消耗高電能電池的電能。主動(dòng)均衡的工作特點(diǎn)是通過主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)能量從高能量水平的電池轉(zhuǎn)移到低能量水平的電池[9-11]。其優(yōu)點(diǎn)是沒有電能的損耗與浪費(fèi)，電能轉(zhuǎn)移過程不產(chǎn)生多余的熱量，有利于溫度的均衡性。其缺點(diǎn)是均衡電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，成本遠(yuǎn)高于被動(dòng)均衡。

主動(dòng)均衡如能解決上述問題，將是一種均衡效果更優(yōu)的電池均衡方式。本文重點(diǎn)研究動(dòng)力電池的主動(dòng)均衡系統(tǒng)，其均衡方法主要有：

a.由變壓器構(gòu)成的均衡方法。其原理是變壓器的副邊與各電池相連，原邊與需均衡的電池單體相連，通過控制原邊的通斷將需要均衡的電池單體的能量轉(zhuǎn)移到原邊，由于變壓器的特性，副邊繞組也會(huì)產(chǎn)生能量，并傳遞到其他電池單體。該方法通過改變變壓器的匝數(shù)比可以調(diào)整均衡速率，能量轉(zhuǎn)移速度較快，性價(jià)比高，但在能量轉(zhuǎn)移過程中，變壓器等器件的發(fā)熱會(huì)造成能量的散失。

b.由電容構(gòu)成的均衡方法。通常將電容并聯(lián)在電池單體上，通過控制電容與電池之間的通斷控制電池能量的轉(zhuǎn)移。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，均衡過程可控，但是能量轉(zhuǎn)移速率受電容容量限制，且電容與電池的并聯(lián)方式?jīng)Q定了主動(dòng)均衡的效率。

c.由電感構(gòu)成的均衡方法。系統(tǒng)組成與電容構(gòu)成的均衡方法基本相同，常見的是將電感并聯(lián)在電池單體上實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，其能量轉(zhuǎn)移速度也較慢。

對(duì)于主動(dòng)均衡來說，目前研究的難點(diǎn)有[12-13]：提高數(shù)據(jù)采集精度、改善電池剩余電量算法、以低成本實(shí)現(xiàn)可靠、快速的電量均衡。

3 動(dòng)力電池主動(dòng)均衡電路仿真

設(shè)計(jì)電池模組主動(dòng)均衡電路后，利用MATLAB/Simulink對(duì)均衡電路進(jìn)行建模與仿真分析。利用Simulink搭建均衡電路，并查看均衡電路工作后2個(gè)電池的電壓變化情況，從而判斷均衡效果。

圖1所示為均衡電路仿真模型，其中，R3為副邊電路等效電阻，電阻R2=10 kΩ、電容C2=1 pF及二極管Ds組成副邊電壓關(guān)斷緩沖電路，限制副邊的漏極在開關(guān)斷開之后產(chǎn)生高電壓，R1=0.5 Ω為電路等效電阻，Mosfet為開關(guān)，并聯(lián)C1=100 nF為Mosfet等效結(jié)電容，脈沖發(fā)生器負(fù)責(zé)提供躍遷信號(hào)。二極管的PN結(jié)之間存在電容，可通過交流電，由于結(jié)電容通常很小，當(dāng)二極管PN結(jié)之間的交流電頻率較低時(shí)，PN結(jié)只允許單向電流通過，當(dāng)PN結(jié)上的交流電頻率較高時(shí)，允許交流電通過。

圖1 單體電池均衡電路仿真模型

通過主動(dòng)控制反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器的通斷，在不停地閉合和斷開開關(guān)的過程中，電池1放電，變壓線圈原邊電動(dòng)勢(shì)升高，經(jīng)過放大，副邊電動(dòng)勢(shì)超過電池2并對(duì)其充電。其中，變壓線圈原邊與副邊匝數(shù)比為1∶4，脈沖開關(guān)的周期為20 ns，脈沖寬度為50%。

電池管理系統(tǒng)軟件以CodeWarrior for HCS12 V5.1為開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編寫，包括控制模塊與采集模塊。

如圖2所示，主控系統(tǒng)初始化時(shí)，同時(shí)初始化LTC6804-1芯片，使其進(jìn)入待命狀態(tài)。系統(tǒng)初始化成功后，程序進(jìn)入主循環(huán)，根據(jù)定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)序，順序執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，每10 ms獲取一次電壓數(shù)據(jù)，主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)處理結(jié)果判斷是否超出預(yù)設(shè)門檻，進(jìn)而判斷是否執(zhí)行斷開電池輸出、啟動(dòng)主動(dòng)均衡等功能，所采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到上位機(jī)，方便使用者實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)并獲取電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.1 主控模塊

電池管理系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行主控模塊的初始化，對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行賦值，使用SPI總線通過SPI通信方式初始化從控模塊LTC6804-1，直到LTC6804-1進(jìn)入Stand By狀態(tài)后，進(jìn)入主循環(huán)。

在主循環(huán)中，通過SPI通信的方式，主控模塊接收LTC6804-1反饋的電池單體信息，完成電壓和溫度采樣、SOC估算、數(shù)據(jù)處理、故障診斷以及CAN通訊等功能。

圖2 BMS控制時(shí)序

初始化LTC6804-1流程：

a.發(fā)送1個(gè)虛字節(jié)，CSB和SCK上的動(dòng)作喚醒LTC6804-1上的串行接口。

b.等待20 ms以完成LCT6804-1器件上電。

c.發(fā)送第2個(gè)虛字節(jié)。

d.等待5 ms。

e.發(fā)送命令。

3.2 從控模塊

在從控模塊中，上電后完成系統(tǒng)初始化，根據(jù)主控模塊指令實(shí)現(xiàn)電壓采集、電量均衡等功能。電壓的采集采用高精度的浮地網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)，結(jié)合高速光電耦合繼電器陣列，以掃描的方式實(shí)現(xiàn)硬件的分時(shí)復(fù)用，測(cè)量得到的電池電壓值送入高速16位A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC6804-1中濾波處理，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過CAN總線發(fā)出。

3.3 SOC估算

本文設(shè)計(jì)的BMS對(duì)電池組的評(píng)估方法采用目前較多使用的開路電壓估算法，即根據(jù)電池電量與電壓的關(guān)系，通過電池單體電壓使用公式修正后運(yùn)算得到電池單體的電量：

式中，U為電池單體電壓。

3.4 電池溫度信號(hào)處理

為了準(zhǔn)確地反映電池組的溫度分布情況，同時(shí)結(jié)合電池包設(shè)計(jì)過程中溫度的分布情況，溫度采集芯片設(shè)計(jì)有12個(gè)傳感器接口，可以滿足絕大部分電池包溫度采集需求。由于溫度變化速度較慢，因此選用NTC熱敏電阻傳感器，將熱敏電阻組成一個(gè)電橋，測(cè)量的溫度信號(hào)送入單片機(jī)自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器中處理。

為了更加準(zhǔn)確地獲得NTC熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系，對(duì)各溫度下NTC電阻的溫度與電阻進(jìn)行測(cè)量并擬合，得到溫度為：

式中，R為NTC熱敏電阻阻值。

利用某溫度下的電阻對(duì)式（1）進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，二者相差不超過1%。

4 BMS硬件設(shè)計(jì)

BMS需要對(duì)電池模組的各單體電池信息進(jìn)行采集與管理，當(dāng)電池單體的數(shù)目增多時(shí)，如果采用集成化模塊設(shè)計(jì)，便對(duì)主控芯片的性能提出了更高的要求。本系統(tǒng)采用可拓?fù)涫皆O(shè)計(jì)，根據(jù)電池單體的數(shù)目可增加采集芯片的數(shù)量，主控與從控芯片通過CAN進(jìn)行通訊，完成信息的采集與控制策略的執(zhí)行。

4.1 溫度信息采集模塊

BMS需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池單體溫度，對(duì)于對(duì)溫度比較敏感的鋰電池，應(yīng)該盡可能采集更多的數(shù)據(jù)，同時(shí)，必須具有高的精確度。由此，選用Freescale 9S12系列的XS128作為處理器，該處理器具有8位、10位、12位可編程A/D轉(zhuǎn)換模塊，硬件電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路原理

通過12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器采集NTC熱敏電阻的電壓，電容起到硬件濾波作用，減少高頻信號(hào)對(duì)采集信號(hào)的干擾。該電路硬件容易實(shí)現(xiàn)且采集精度滿足電池狀態(tài)檢測(cè)的需要。采用高精度NTC熱敏電阻可以提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度升高而降低的特性，A/D采集口可以得到NTC熱敏電阻的電位，根據(jù)電位可以換算出NTC熱敏電阻的阻值：

式中，VA/D為熱敏電阻電壓。

得到電阻數(shù)據(jù)后，查表?yè)Q算得到溫度。

4.2 電池單體電壓采集模塊

根據(jù)外圍設(shè)備的要求，電池單體通過不同的串、并聯(lián)方式組合成不同電池模組，最高電壓可達(dá)100 V以上。為了準(zhǔn)確獲得數(shù)量眾多的電池單體電壓，采用LTC6804-1芯片進(jìn)行采集。

LTC6804-1芯片為多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，最多可測(cè)量12個(gè)串接電池的電壓并具有低于1.2 mV的總測(cè)量誤差。監(jiān)測(cè)12個(gè)以上的電池單體時(shí)，可將LTC6804-1串聯(lián)。硬件電路如圖4所示。

圖4 電池單體電壓采集電路

LTC6804-1通過SPI串行接口與主控芯片通訊。SPI是一種高速、全雙工同步通信總線，且芯片管腳只占用4根線。Freescale XS128芯片用同一個(gè)SPI總線接口實(shí)現(xiàn)與主控芯片的通信。

4.3 主控模塊設(shè)計(jì)

BMS需通過一個(gè)主控芯片接收外設(shè)采集到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行計(jì)算、控制與決策等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的控制。NXP公司的XS128芯片作為一款汽車級(jí)芯片，較工業(yè)級(jí)芯片具有更大的工作溫度范圍與更好的抗干擾性，適合在汽車等比較惡劣的工況下運(yùn)行，同時(shí)可靠性也大大提高。

主控芯片通過SCK、MOSI、MISO、CSB等4個(gè)管腳與LTC6804-1進(jìn)行通信，大幅節(jié)省了管腳數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池電壓信息的實(shí)時(shí)高速采集，如圖5所示。

4.4 電源模塊設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)汽車上的使用要求，BMS從控單元擁有12 V直流電轉(zhuǎn)5 V直流電的供電電路。電路提供足夠穩(wěn)定的5 V直流電壓，紋波小，可以滿足主控芯片等器件的使用需求。

圖6所示為BMS供電電路，其中，12 V輸入端裝有1 A電流保險(xiǎn)絲，防止電流過大造成芯片損壞。電路采用TLE4270芯片轉(zhuǎn)換電壓。為了進(jìn)一步減少紋波電壓，該芯片輸入端與輸出端均采用了100 pF、100 nF、47μF的電容旁路。

圖5 BMS主控電路

圖6 BMS電源電路

4.5 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)BMS與整車控制器等設(shè)備的通信交流，本系統(tǒng)采用了圖7所示的CAN總線通信系統(tǒng)。CAN電路通過TJA1050芯片實(shí)現(xiàn)信息傳輸，其TXD口直接與主控芯片的CAN_TXD的IO口相連，RXD口與CAN_RXD口相連，通過對(duì)主控芯片的編程可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)BMS與整車其他電子設(shè)備的通信。

圖7 CAN總線模塊

4.6 主動(dòng)均衡模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)電池系統(tǒng)中的電池單體電量差達(dá)到一定程度時(shí)，便需要開啟主動(dòng)均衡功能。本系統(tǒng)采用LT8584芯片與小型變壓線圈對(duì)電池實(shí)行電量主動(dòng)均衡。

如圖8所示，LT8584的OUT、Din管腳可以與LT6804-1的C、S系列的管腳無(wú)縫連接。當(dāng)電池模組中某一單體電壓過高時(shí)，通過控制LT8584的SW管腳的通斷，可以使該電池對(duì)線圈原邊產(chǎn)生脈沖電壓。該電壓經(jīng)過變壓器副邊放大后接到整個(gè)電池模組的正、負(fù)極，電量將會(huì)通過變壓線圈施加到整個(gè)電池模組中，對(duì)其充電，從而實(shí)現(xiàn)可編程式的主動(dòng)均衡控制策略。

圖8 BMS主動(dòng)均衡電路

5 BMS試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成后的BMS主動(dòng)均衡系統(tǒng)的PCB原理圖和實(shí)物分別如圖9、圖10所示。

圖9 BMS主動(dòng)均衡系統(tǒng)PCB圖

圖10 BMS主動(dòng)均衡系統(tǒng)實(shí)物

圖11所示為主動(dòng)均衡模塊開啟情況下仿真試驗(yàn)得到的電池電壓變化曲線。兩個(gè)電池單體的初始電壓分別為3.9 V與3.75V，主動(dòng)均衡模塊開啟后，高電壓電池單體對(duì)低電壓電池單體進(jìn)行充電，最終兩個(gè)電池單體的電壓趨近于相同，達(dá)到主動(dòng)均衡效果。

圖11 電池單體電壓變化曲線

利用設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池主動(dòng)均衡系統(tǒng)對(duì)存在電池單體不一致性的電池組進(jìn)行充、放電試驗(yàn)，通過調(diào)整電阻的阻值，改變電池組的放電電流，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪出隨機(jī)抽取的2個(gè)電池單體放電溫度曲線，如圖12、圖13所示。

圖12 電池單體小電流放電溫升曲線

圖13 電池單體大電流放電溫升曲線

由圖12可知，電池組在進(jìn)行小電流放電時(shí)，電池單體溫度沒有明顯的變化，在持續(xù)的245（采樣間隔10 s）次采樣中，均維持32℃的溫度不變。而由圖13可知，電池組進(jìn)行大電流放電時(shí)，電池1與電池2出現(xiàn)了溫度差異，兩者溫度均有上升，在241次（采樣間隔10 s）采樣過程中，溫度上升約為1℃。

對(duì)電池組進(jìn)行放電，同時(shí)主控模塊開啟主動(dòng)均衡功能，對(duì)存在壓差的2個(gè)電池單體進(jìn)行電量主動(dòng)均衡，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪出如圖14所示的電池均衡電壓曲線。

從圖14可以看出，電量不同的電池單體在放電過程中，主控模塊開啟主動(dòng)均衡功能后，電量多的電池單體通過變壓線圈將電量轉(zhuǎn)移到線圈副邊，線圈副邊對(duì)整個(gè)電池模組進(jìn)行充電。電池1的電量逐漸下降，電壓曲線隨著均衡的過程逐漸貼合，電壓差非常小。

圖14 電池單體主動(dòng)均衡電壓變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果論證了Simulink建模仿真的結(jié)果，BMS通過主動(dòng)均衡的方式，在高精度采集模塊的輔助下，實(shí)現(xiàn)了電池能量的轉(zhuǎn)移。該主動(dòng)均衡策略可以同時(shí)對(duì)多個(gè)電量高的電池單體進(jìn)行放電轉(zhuǎn)移，可以有效、快捷地進(jìn)行電量均衡。同時(shí)，通過可編程式的均衡電量閾值判斷，可以修改實(shí)行主動(dòng)均衡的電壓差，從而更加智能地對(duì)電池電量進(jìn)行管理。

6 結(jié)論

本文針對(duì)BMS中的主動(dòng)均衡系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池系統(tǒng)的主動(dòng)均衡系統(tǒng)仿真模型，并設(shè)計(jì)了實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池主動(dòng)均衡系統(tǒng)具有良好的均衡效果，能夠在動(dòng)力電池的充、放電過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行均衡控制，但該均衡系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

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