王建鋒，李 娜，艾 涵

（1.長安大學 道路交通智能檢測實驗室，陜西 西安 710064；2.陜西省道路交通智能檢測與裝備工程技術研究中心，陜西 西安 710064）

0 引 言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，作為電動汽車能源核心的動力電池已經成為制約電動汽車發(fā)展的瓶頸，由于鋰電池具有高密度、高工作電壓以及無記憶等優(yōu)點，逐漸被廣泛應用于電動汽車領域。為滿足電動汽車使用要求，通常采用多單體電池串并聯組成電池組。由于組成電池組的各單體電池存在微小的差異，如活性物質性質以及使用條件等差異導致了電池參數的不一致，嚴重影響動力電池組的能量效率和使用壽命。為減小電池組中各單體電池之間不一致性帶來的不利影響，需要對電池組進行均衡管理。電池均衡主要分為被動均衡和主動均衡，被動均衡為能量耗散性均衡，通過耗能元件將電池內多余能量耗散；主動均衡為能量轉移型均衡，通過不同的電流拓撲結構和控制策略，實現不同電池間的能量傳遞。主動均衡在能量利用率、均衡效率等方面均優(yōu)于被動均衡。均衡變量的選擇直接影響均衡策略，由于電池的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）與開路電壓具有正相關性，并且能夠表征電池內阻和溫度等參數，因此采用SOC作為均衡變量較合理。目前在基于SOC的電池主動均衡方面，基于變壓器電池均衡系統(tǒng)，在均衡電池數量較少時具有較好的表現，當電池數量增大時，需要使用大量多繞組變壓器，增加系統(tǒng)磁化損耗，同時增大系統(tǒng)體積。基于電感的主動均衡系統(tǒng)能量只能在相鄰電池單元間快速轉移，在不相鄰的電池間均衡速度將大大降低。鑒于以上問題，本文開發(fā)了一種以SOC為均衡目標，綜合變壓器和電感的鋰電池主動均衡系統(tǒng)，以實現鋰電池組主動均衡，該系統(tǒng)具有較高的均衡精度和較好的均衡效率。

1 總體方案設計

本文開發(fā)的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)總體結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括MCU（Micro Controller Unit, MCU）主控單元、鋰電池組，第一層均衡電路和第二層均衡電路。

圖1 系統(tǒng)總體結構

電池組中每3節(jié)電池組成一個控制模塊，利用第一層均衡電路實現3節(jié)電池之間SOC的主動均衡。根據電池的總量規(guī)?？梢詳U展多個電池模塊，實現大規(guī)模的電池主動均衡，各模塊之間利用第二層均衡電路實現不同模塊之間的主動均衡。

MCU主控系統(tǒng)通過SPI和IC通信從第一層均衡電路和第二層均衡電路的數據采集模塊中獲取各單體電池電壓、電流和溫度等數據，通過SOC估計算法，計算出當前各節(jié)單體電池的SOC值，并根據均衡控制策略控制第一層均衡電路和第二層均衡電路，進行電池模塊內部和電池模塊之間的SOC均衡。

第一層均衡電路包括電池模塊內單體電池的電壓、電流、溫度采集外圍電路和以變壓器作為能量轉移元器件均衡電路，實現對電池模塊內各節(jié)電池的主動均衡。

第二層均衡電路包括電池模塊總電壓、電流采集的外圍電路和以電感作為能量轉移元器件的均衡電路，實現對各電池模塊之間的主動均衡功能。

2 硬件設計

本文開發(fā)的電池組SOC主動均衡控制系統(tǒng)要能夠實時檢測單體電池的電壓、電流和溫度，并按照均衡策略控制第一層和第二層電路，實現以SOC為均衡目標的電池組主動均衡。MCU主控系統(tǒng)在均衡系統(tǒng)中具有管控全局的作用，MCU對各功能模型進行檢測、分析和計算，從而控制系統(tǒng)的運行。MCU主控系統(tǒng)需要考慮響應速度、引腳接口數量、計算精度、運行穩(wěn)定性等因素。因此，本文選用STM32作為MCU主板，其集成多種外圍模塊，與上位機具有多種通信方式，可擴展模塊較多，包含LCD顯示屏、蜂鳴器報警裝置、藍牙通信模塊和SD數據存儲模塊等，并且可通過對特定引腳的控制來指定某個模塊的開閉，便捷性好、功耗低。

2.1 第一層均衡電路

第一層均衡電路按照變壓器的磁化特性，采用分布到集中的能量轉移方案，即將SOC高的電池的能量分配給模塊中SOC低的電池，使模塊中3節(jié)電池的SOC趨于一致。檢測單體電池的電壓、電流和溫度，為MCU提供均衡策略的判斷依據。本層硬件以LTC6804芯片為核心，設計外圍電路、高頻穩(wěn)壓電路和溫度檢測電路，并結合LT8584芯片設計分布到集中式變壓器型的均衡電路。LTC6804外圍電路如圖2所示。

圖2 LTC6804的外圍電路

C0～C3和S1～S3分別與每節(jié)電池所對應均衡控制器的電池電壓輸出端和均衡控制端相連。C4～C12以及S4～S12懸空。GPIO1～GPIO5為模擬信號的輸入和輸出端，其中3個通道通過NTC熱敏電阻檢測電池溫度。外圍電路采用SPI通信，SCK、SDI、SDO和CSB分別與MCU主板上的SPI模塊相連進行數據傳輸。由于電池模塊的電壓處于連續(xù)變化狀態(tài)，并且速度極快，故本文采用電池模塊作為LTC6804的驅動電源，因此需要對V+和VREG引腳采用穩(wěn)壓設置。V+引腳除通過一個100 kΩ的電阻與電池模塊的高電壓相連，還連接了一個XL6007高頻穩(wěn)壓電路，其電路如圖3所示。

圖3 XL6007高頻穩(wěn)壓電路

XL6007高頻穩(wěn)壓電路采用XL6007大功率直流芯片，瞬態(tài)反映良好，轉換效率良好，工作溫度在-40～125 ℃，滿足汽車工作環(huán)境要求，具有高達400 kHz的開關頻率，且其內部提供過壓保護。為使LTC6804芯片正常工作，V+端的電壓需大于電池組的最高電壓值。因此，設定電阻的阻值為10 kΩ，的阻值為1 kΩ。

利用NTC熱敏電阻檢測電池溫度，其檢測電路如圖4所示。將一個10 kΩ的精密電阻與NTC熱敏電阻串聯，并將一個100 nF的電容與精密電阻并聯起到穩(wěn)流作用。在溫度檢測過程中，在精密電阻與熱敏電阻串聯的電路兩端接5 V恒定電壓，利用MCU主控單元對精密電阻兩端的電壓進行采集，計算當前溫度下NTC熱敏電阻的阻值R，并按照式（1）計算溫度值。

圖4 溫度檢測電路模塊

式中，T=298.15，為標稱電阻值。

第一層主動均衡電路的均衡元器件采用反激式變壓器，在均衡過程中需要對變壓器兩端的開關按照一定的頻率進行開閉，使電池能量從高SOC電池轉移至低SOC電池。因此，本文以LT8584反激式DC/DC轉換芯片作為核心構建均衡電路，均衡電路如圖5所示。

圖5 LT8584均衡電路

第一層均衡電路設計的開關占空比為20%，開關頻率為75 kHz，選擇的變壓器為NA6252-AL。該變壓器尺寸為15.24 mm×12.7 mm×11.43 mm，初級線圈電感為4 μH，匝數比為0.73。

2.2 第二層均衡電路

第二層均衡電路基于電感作為能量轉移元器件，將高SOC電池模塊中的能量通過電感轉移至低SOC電池模塊。因此，基于BQ78PL116芯片設計第二層均衡電路，設計的BQ78PL116外圍電路如圖6所示。

圖6 BQ78PL116外圍電路

將BQ78PL116芯片的V1～V4引腳作為電池電壓檢測引腳，其電壓檢測范圍為0～5 V。通過6個阻值為10 kΩ的高精密電阻，使連接至V1和V2的電壓為電池模塊電壓的1/3。SMBC和SMBD引腳分別作為BQ78PL116芯片IC通信的時鐘線和數據線，通過ESD保護電路與MCU主板通信。P4N、P4S和P3N作為電感型均衡電路的驅動引腳，可根據設計需要輸出PWM控制信號。CSBAT、CCBAT、CCPACK和CSPACK引腳通過對電流感應電阻上的電壓進行檢測，從而獲取流經電池模塊的電流。

電感型均衡電路如圖7所示。在該電路中，將和電感作為轉移電能的元器件，利用UCC27511A柵極驅動芯片為MOS管提供驅動電壓，使MOS管能夠按照一定的頻率進行開啟或關閉，在MOS管開啟時，電感或得到電能，MOS管關閉時，電感或將對電池模塊進行充電，從而將電能從一個電池模塊轉移到另一個電池模塊，實現電池模塊間的主動均衡。

圖7 電感型均衡電路

電感型均衡電路具體的連接方式：將3個UCC27511A芯片的IN+引腳分別連接到BQ78PL116芯片上的P4N、P4S和P3N引腳，作為UCC27511A芯片的脈沖輸入信號，IN-和GND引腳連接電池模塊的低電壓端，VDD作為UCC27511A芯片的電源引腳與電池模塊的高電壓端連接，OUTH和OUTL引腳可輸出脈沖信號，因此作為MOS管的驅動信號。MOS管選用AO4618P/N型號，將第一個MOS管作為NMOS管使用，第二個MOS管根據輸入的脈沖信號在PMOS管和NMOS管間交替變換。為防止MOS管斷電瞬間，電感電流擊穿MOS管，在電感和上并聯一個阻值為2 kΩ的電阻，并將CSBAT和CSPACK、CCBAT和CCPACK引腳連接到電流感應電阻兩端，使BQ78PL116能夠對均衡電流進行檢測。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)主要包括各單體電池電壓、電流和溫度數據采集及顯示，各單體電池SOC的估計、電池的主動均衡策略、電池底層均衡和頂層均衡的實現。系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

圖8 主動均衡控制流程

主動均衡控制系統(tǒng)的工作步驟如下：

（1）系統(tǒng)啟動，初始化各類參數；

（2）檢測各單體電池的電壓、電流和溫度；

（3）根據采集的各單體電池的數據，按照估計方法計算各單體電池的SOC值；

（4）根據各單體電池的SOC值及控制指令判斷是否進行均衡，如果進行均衡則繼續(xù)，如果不進行均衡則退出；

（5）MCU主控系統(tǒng)按照均衡策略判斷是進行底層均衡還是進行頂層均衡，并向底層電路或頂層電路發(fā)送均衡指令；

（6）各均衡電路按照MCU主控系統(tǒng)的指令進行電路均衡操作；

（7）采集均衡過程中電池的電壓、電流和溫度，并對各節(jié)電池SOC值進行更新；

（8）重復步驟（2），直至電池均衡停止或者退出。

4 系統(tǒng)驗證

利用所開發(fā)的系統(tǒng)進行鋰電池主動均衡實驗，驗證系統(tǒng)性能。本文采用6節(jié)單體鋰電池串聯組成的電池組進行測試，測試系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 主動均衡控制系統(tǒng)

利用初始SOC值不同的電池進行均衡實驗，均衡后各單體電池的SOC值可以直接表現出主動均衡系統(tǒng)的性能，因此，為驗證均衡系統(tǒng)的性能，分別進行靜置均衡和充電均衡實驗與分析，為分析方便，對6節(jié)電池編號，分別為B1～B6。

4.1 靜置均衡

靜置均衡是在電池組未接入負載時對電池組進行的均衡，將初始SOC值不同的6節(jié)電池進行靜置均衡，對比均衡前后各單體電池的SOC值，評價電池組主動均衡的效果。

從圖10可以看出，均衡前電池組的平均SOC值為86.5%，SOC值極差為13.5%，標準差為7.8%。靜置均衡后，電池組的平均SOC值為86.4%，SOC值極差為0.22%，標準差為0.16%?？梢婋姵亟M均衡后各單體電池的SOC值趨于一致，說明均衡系統(tǒng)能高效實現電池組SOC的主動均衡。

圖10 放電均衡對比

4.2 充電均衡

將初始SOC值不同的6節(jié)電池進行恒流充電實驗，充電一段時間后得到各單體電池的SOC值，對比均衡前后各單體電池的SOC值，評價均衡效果。各單體電池的初始SOC值和充電均衡后的SOC值對比結果如圖11所示。

圖11 充電均衡對比

從圖11可以看出，均衡前各單體電池的初始SOC具有較大差異，SOC的平均值為63.2%，極差為20.0%，標準差為17.7%。均衡后電池組SOC平均值為83.6%，極差為0.07%，標準差為0.08%。隨著充電的進行，均衡后各單體電池的SOC均衡增長，直到電池組各單體電池充滿為止。可見本系統(tǒng)在充電均衡中具有較好的可靠性和有效性。

5 結 語

本文開發(fā)了一種以電池SOC作為均衡目標的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過底層均衡電路實現各模塊內單體電池之間SOC的均衡，頂層電路實現各模塊之間SOC的均衡。通過MCU主控系統(tǒng)，根據均衡控制策略實現電池組的動態(tài)主動均衡。該系統(tǒng)能夠高效實現電池組的主動均衡控制，為電池管理系統(tǒng)提供了有效的工程應用參考。