楊勇 張菁 錢瀟瀟

摘 要：針對(duì)新能源汽車中動(dòng)力電池串聯(lián)成組使用存在的不一致性以及電池管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和精確性不高的問題，設(shè)計(jì)了一套完整的電池管理均衡控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了基于TI公司研發(fā)的專用電池監(jiān)測(cè)芯片BQ76940為核心的電壓采集電路、電流采集濾波、溫度采集擴(kuò)展電路、通信電路的設(shè)計(jì)，并采用Buck-Boost型均衡控制電路和過充過放保護(hù)電路來改善動(dòng)力電池一致性差、過充和過放等問題，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了電池電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集，誤差僅有±5 mV，并且均衡控制效果明顯，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)力電池;Buck-Boost;BQ76940;電壓采集;均衡控制

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0216-07 中圖分類號(hào)： TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不可再生能源的消耗、環(huán)境污染問題接踵而至，新能源電動(dòng)汽車已成為全球車企及科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象。鋰離子電池因其高能量密度、充放電能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車首選的動(dòng)力源，在新能源汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但在汽車集成動(dòng)力系統(tǒng)中一般需要高容量、高功率的動(dòng)力源，需要選擇數(shù)十節(jié)、甚至上百節(jié)的電池串聯(lián)使用才能滿足電動(dòng)汽車功率和能量的需求，但由于鋰電池自放電率、內(nèi)阻、溫度等特性差異所表現(xiàn)出的不一致性，極易造成電池的過充、過放，導(dǎo)致電池組的整體性能下降，循環(huán)使用壽命也因此大大縮短，電動(dòng)車的維護(hù)成本增加，安全性也無法得到保障[3-8]。電池管理均衡控制系統(tǒng)主要用于對(duì)串并聯(lián)連接的儲(chǔ)能電池進(jìn)行管理，使其電壓等性能趨于一致，保證電池充放電階段的能量相對(duì)平衡，因此設(shè)計(jì)合理的均衡控制系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的研究與發(fā)展具有重要意義。

本文以TI公司研發(fā)的專用集成電池監(jiān)測(cè)芯片BQ76940為核心，實(shí)現(xiàn)電池組電壓的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)計(jì)了溫度采樣擴(kuò)展、電流采集濾波、保護(hù)電路、通信電路等硬件電路，采用Buck-Boost型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)出了一套具有較高精度、可靠性的完整的電池管理均衡控制系統(tǒng)，再?gòu)膶?shí)際應(yīng)用的角度，測(cè)試了電壓精度和均衡控制效果，有效提高了電池組的一致性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由MCU主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、均衡控制單元、電池單元幾部分構(gòu)成。本設(shè)計(jì)以STM32F407VET6為主控制芯片，通過分析和處理由BQ76940芯片為核心的數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的電池工作參數(shù)，根據(jù)均衡控制策略判斷電池組一致性狀況，并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)控制均衡單元中的MOSFET開斷，以此實(shí)現(xiàn)電池組的有效管理，均衡控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU主控單元

主控芯片選擇了ST公司M4系列的32位高性能微處理器STM32F407VET6，該單片機(jī)具有高性能、低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)，擁有192 KB的SRAM以及512 KB～1 MB的FLASH;包括2個(gè)可用于電機(jī)PWM控制的高級(jí)定時(shí)器、12個(gè)基本定時(shí)器等資源;還具有多達(dá)15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)功能的通信接口，支持UART/USART、SPI、I2C以及CAN通信;提供3個(gè)12位ADC，2個(gè)12位DAC，一個(gè)低功耗的RTC，很好地滿足了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[9-11]。

2.2 電源電路

系統(tǒng)外接12 V的直流穩(wěn)壓電源，通過DC-DC降壓芯片TPS5431將12 V轉(zhuǎn)變成5 V，5 V為運(yùn)算放大器等數(shù)字器件供電;利用LDO芯片AMS1117將5 V電源轉(zhuǎn)變3.3 V，為MCU及其他控制電路供電，如圖2所示，其中電源地和模擬地之間串聯(lián)一個(gè)0 Ω的電阻，能夠有效抑制環(huán)路電流，抑制噪聲，同時(shí)也為了在PCB布線的時(shí)候更容易區(qū)分?jǐn)?shù)字地和模擬地。

2.3 電壓采集電路

本設(shè)計(jì)選用BQ76940作電壓采集，這是TI公司針對(duì)電池管理系統(tǒng)而研發(fā)的專用集成芯片，單個(gè)芯片可測(cè)量多達(dá)15節(jié)電池電壓值，并且具有平衡電量、輸出電源穩(wěn)壓等獨(dú)有特性。每個(gè)BQ769x0系列芯片都集成14位ADC，可獲取電芯電壓、熱敏電阻、芯片或鋰電池溫度等關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。對(duì)于每個(gè)連續(xù)的5個(gè)單元組（VC1～VC5，VC6～VC10，VC11～VC15），當(dāng)該特定組中的單元沒有被平衡時(shí)，每個(gè)單元50 ms測(cè)量一次，并且每250 ms可獲得完整更新。50 ms的測(cè)量時(shí)間大大有助于消除嘈雜環(huán)境中出現(xiàn)的混疊效應(yīng)。其中輸入電壓與ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換公式可表示為：

其中，GAIN和OFFSET分別以u(píng)V/ LSB、mV為單位存儲(chǔ)。基于專用集成芯片電壓采集原理如圖3所示。

為濾除高頻雜波成分，保證采集信號(hào)的穩(wěn)定性和有效性，每一路采集到的電壓信號(hào)都需要經(jīng)過一個(gè)1 K電阻與1 uF電容組成的RC低通濾波電路引入到VCx引腳后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，同時(shí)為了避免過充電壓和浪涌電流對(duì)A/D集成電路或者芯片產(chǎn)生損害，在芯片每?jī)蓚€(gè)VCx引腳之間都連接了一個(gè)穩(wěn)壓二極管，電路如圖4所示。

2.4 電流采樣濾波電路

電流信號(hào)經(jīng)精密采樣電阻分壓輸入至放大器同相輸入端，采集數(shù)據(jù)通過LM358雙運(yùn)放組成的多階低通濾波器輸入至MCU的PA0引腳中，多階濾波器的設(shè)計(jì)使得采集精度大大提高，電路如圖5所示。

2.5 溫度采樣擴(kuò)展電路

在充放電階段，無論是工作狀態(tài)溫度、還是環(huán)境溫度的變化都對(duì)鋰電池的性能有著較大的影響，導(dǎo)致電池電壓的檢測(cè)出現(xiàn)較大的偏差，均衡效果受到影響。BQ76940最多直接支持3個(gè)熱敏電阻的連接，如果需要多溫度點(diǎn)的采集則必須選用多路選擇器拓展溫度通道，所以本設(shè)計(jì)將熱敏電阻作為傳感器，采用74HC4051高速CMOS器件設(shè)計(jì)了8路溫度采集通道，通過3個(gè)數(shù)字選擇端和1個(gè)低有效使能端選擇溫度采集點(diǎn)，合成信號(hào)由LM358組成的跟隨器進(jìn)行緩沖送入PA1引腳，如圖6所示。

2.6 均衡電路

本設(shè)計(jì)采用基于單個(gè)Buck-Boost電路聯(lián)合改進(jìn)形成的控制電路，如圖7所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：開關(guān)器件少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制策略有效易行;損耗低，效率可觀;能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡;易于擴(kuò)展和模塊集成化。

以3節(jié)電池為例，其基本原理是將電感作為儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)移元件，當(dāng)單體電池B1電壓高于B2時(shí)，MCU產(chǎn)生占空比和頻率一定的PWM信號(hào)施加在MOSFET上，當(dāng)T1閉合時(shí)，電池B1、開關(guān)管T1和電感L1組成通路，L1在T1閉合期間儲(chǔ)能，電感電流持續(xù)上升，當(dāng)T1截止關(guān)斷時(shí)，L1儲(chǔ)藏的能量會(huì)經(jīng)過續(xù)流二極管D2為B2充電。其中，C1、C2、C3為高頻濾波電容，在能量傳輸轉(zhuǎn)移的過程中為均衡系統(tǒng)濾除雜波，同時(shí)在電路中并聯(lián)消磁電阻R1，R2，加強(qiáng)均衡控制電路的穩(wěn)定性，做到雙重保護(hù)。

2.7 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)镸OS管有一定的開斷時(shí)間，在高頻開關(guān)電路中會(huì)有較大開關(guān)損耗，而且MCU芯片的輸出IO口的PWM波電平電壓較低，達(dá)不到MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓，所以需要加入驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)采用高速驅(qū)動(dòng)芯片1EDI20N12AF，該芯片具有單通道隔離門極驅(qū)動(dòng)，輸出電流峰值可達(dá)4A，驅(qū)動(dòng)能力滿足要求。MCU產(chǎn)生的PWM波經(jīng)1EDI20N12AF的2號(hào)腳輸入，6腳與7腳輸出驅(qū)動(dòng)FDD8424型功率開關(guān)，由于MOS管柵源級(jí)之間存在寄生電容，所以并聯(lián)電阻R1，使MOS管在關(guān)斷期間能快速放電，防止MOS管誤導(dǎo)通現(xiàn)象發(fā)生，電路如圖8所示。

2.8 通信電路

BQ76940與MCU之間是通過I2C進(jìn)行通信的，本設(shè)計(jì)采用TCA9517雙通道雙向緩沖器提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂垢蓴_性。TCA9517驅(qū)動(dòng)芯片不僅能夠緩沖I2C雙向線上的串行數(shù)據(jù)（SDA）和時(shí)鐘（SCL）信號(hào)，同時(shí)還能保持I2C系統(tǒng)所有的工作模式和特性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定有效的傳輸，電路如圖9所示。

2.9 保護(hù)電路

由于均衡充放電過程中可能會(huì)出現(xiàn)過電流等現(xiàn)象，致使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障，所以必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路，如圖10所示。S-8255A是一款具有內(nèi)置高精度的電壓檢測(cè)電路和延遲電路的芯片，該芯片可以監(jiān)測(cè)3～5節(jié)串聯(lián)電池，過充檢測(cè)電壓范圍在3.5～4.4 V左右，精度可達(dá)±20 mV。正常工作狀態(tài)下，CO和DO端輸出電壓都為“H”狀態(tài)，MOSFET導(dǎo)通，發(fā)光二極管關(guān)閉，當(dāng)電池超過額定電壓時(shí)，CO端輸出“L”狀態(tài)，DO輸出“H”狀態(tài)，此時(shí)Q2截止，Q4導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮報(bào)警，并禁止電池充電。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用了8節(jié)標(biāo)稱電壓約為3.7 V，2 600 mAh的18650圓柱形鋰電池，其充放電截止電壓分別為4.2 V、2.7 V。定義VB1、VB2、…、VBn為各電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，極差σ=VBmax-VBmin，相鄰電池間的偏差絕對(duì)值ΔVBxy=|VBx-VBy|。以充電均衡為例，采用分組均衡的方式，每相鄰2節(jié)電池分為一組，首先找出VBmax對(duì)應(yīng)的電池VBi，分別計(jì)算與其相鄰的電池電壓VBi+1和VBi-1之間的差值，選擇差值中較大者對(duì)應(yīng)的電池進(jìn)行組間均衡，即輸出PWM波控制相應(yīng)MOSFET，直至所有ΔVBxy

采用極差值法能夠最大化地提高電池容量利用率，通常情況下為保證系統(tǒng)能快速進(jìn)入工作狀態(tài)，k值應(yīng)設(shè)定較小，但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免反復(fù)出現(xiàn)均衡條件的判定，而且受電壓采集精度的限制，k值不宜取太小，一般選擇采樣精度的2倍左右，本系統(tǒng)中設(shè)定值為10 mV。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文以8節(jié)電池組成的電池組作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建如圖12所示。實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)壓電源可以通過編程實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率、脈沖電流等多種充放電形式，所以既可作為系統(tǒng)的供電電源，也可以作為電池組的充放電電源。

4.2 電池電壓精度測(cè)試

實(shí)測(cè)電池電壓值是最直觀反映動(dòng)力電池當(dāng)前工作狀態(tài)的精確量，其測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響均衡效果。分別用精密萬用表以及以BQ76940為核心的電壓采集單元采集的電池電壓值，數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。采集誤差在±5 mV之內(nèi)，精度在±0.15%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.3 均衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試

第一次測(cè)試不加入均衡控制系統(tǒng)，直接接入電子負(fù)載進(jìn)行恒流放電試驗(yàn)，每隔5 min記錄上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間60 min。第二次實(shí)驗(yàn)將8節(jié)電池充放電微調(diào)至與初始試驗(yàn)時(shí)相同大小的電壓，然后加入均衡控制系統(tǒng)，對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。

可以看出，未均衡組電壓最大值為3.121 V，最小值2.712 V，其差值已達(dá)將近0.4 V，與之對(duì)應(yīng)的均衡電池組，極差僅在20? mV之內(nèi)，一致性得到明顯改善。為了更直觀觀察均衡效果，將所有時(shí)間點(diǎn)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差值，來反映電池組的離散程度，趨勢(shì)如圖13所示。

可以觀察出，加入均衡控制單元后，在其放電階段，各電池之間的電壓差距明顯減小，且穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，保障了電池組的一致性，避免了過放現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)串聯(lián)成組使用的電池存在的不一致性以及電池管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集單元精確性不高的問題，本文以STM32F407和BQ76940芯片為核心，采用Buck-Boost非能耗型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和均衡控制系統(tǒng)，并搭建了8節(jié)18650鋰電池測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定性好、測(cè)量誤差小，精度高，且均衡效果顯著，極大地提高了電池組一致性。使用專用集成電池監(jiān)測(cè)芯片可以大大減少元器件數(shù)量的使用，簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)的空間，對(duì)新能源汽車的電池管理系統(tǒng)研究具有一定的參考意義和工程應(yīng)用價(jià)值，但在均衡效率方面還有進(jìn)一步研究和優(yōu)化的空間。

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