一種用于自平衡兩輪車的鋰電池管理系統設計

王 榆 湯寧平 王建寬 勞永建

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

自平衡兩輪車是一種新型的交通工具，與傳統的電動自行車和摩托車車輪前后排列的方式不同，它采用兩輪并排的方式，通過陀螺儀和多個傳感器及相應的控制算法，在判斷人體重心的基礎上來驅動電機，以實現車輛的自平衡及前進、后退、轉彎等各種控制。它在正常行駛過程中，都能自動保持平衡，而前后輪排列方式的車則需要駕駛者來控制車輛的平衡。它還具有綠色環保、轉彎半徑為零、控制方便簡單的特點，未來將在許多場合得到廣泛應用。作為兩輪車的動力能源，鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、自放電率低、無記憶效應等顯著優點。在保證足夠的續航能力的同時，使用鋰電池將有助于減小整車體積和重量，因此對鋰電池的管理系統的研究也有重要的意義。本設計中所用鋰離子電池正極材料為磷酸鐵鋰，標稱容量為2.2Ah，標稱電壓為3.6V，通過3 并13 串的方式組成容量為6.6Ah 的電池組。

電池管理系統（Battery Management System,BMS）是指通過監控和管理電池，來提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電等情況，以達到延長電池使用壽命的目的，并記錄電池狀態信息，它能為自平衡兩輪車的整體系統決策提供判斷依據。

1 系統結構

BMS 應具有電池數據采集、信息傳遞、故障診斷、均衡管理及電量估算（SOC）等功能。本設計中的BMS 分為以下幾個部分：數據采集模塊、均衡管理模塊、故障管理模塊和電量估算模塊，系統框圖如圖1所示。

主控芯片用的是Microchip 公司的PIC18F66K80，該控制芯片采用16 位的類精簡指令系統（RISC）、哈佛總線結構和兩級流水線取指令方式,它豐富的資源和強大的功能,可在滿足系統要求的同時大大簡化了硬件電路[1-2]。

圖1 BMS 系統框圖

1.1 數據采集模塊的設計

系統中各模塊所需電源均來自電池組，通過DC/DC 變換得到，首先用LM5008 電路得到一個7.5V 電壓，再通過可調微功耗電壓調節器LP2951得到5V 電壓，而MOSFET 驅動電路電源通過555定時器產生自舉電源得到，其電源模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊示意圖

為提高SOC 的估算精度，電流采樣采用兩種不同放大倍數的采樣通道，以提高電流的采樣精度，充放電電流流過同一個采樣電阻，根據電流范圍，采樣電阻取5mΩ、5W。

溫度采樣電路采用阻值為10kΩ的負溫度系數采樣NTC 電阻，通過分壓電路得到的電壓值可算得相應的溫度值，電路如圖3所示。

圖3 溫度采樣電路

該電阻溫度特性可以近似用下式來表示：

式中，RT、RN分別表示NTC 在溫度T(K)和額定溫度TN(K)下的電阻值（Ω）；T、TN為溫度，單位K(TN(K)=273.15+TN(℃))；B稱為B常數，是熱敏電阻特定的材料常數，這里取B=3380。

本設計采用查表的方式來得到溫度值，表中存儲對應-40～127℃的128 個RT電阻值，而且NTC熱敏電阻的實際特性，只能粗略地用指數關系來描述，所以這種方法只能以一定的精度來描述所測得的溫度值。

1.2 均衡管理模塊

由于電池組中各個單體電池之間存在不一致，若不采用均衡控制，經連續的充放電循環后，會導致單體電池之間的差異越來越大，將會對電池造成永久性的損壞[3]，且電池組的實際充放電容量得不到有效利用，所以鋰電池均衡管理技術的研究對于最大化利用電池組的容量和延長電池使用壽命具有重要的意義。

目前鋰電池均衡電路根據均衡過程中電路對能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類[4]。能量耗散型主要通過在每節電池上并聯一個分流電阻，這樣電壓較高的電池可通過分流電阻放電，其缺點為能量損耗高，效率較低，而優點是可靠性高，電路結構簡單且成本低廉。對于能量非耗散型的均衡方案，目前國內外的研究主要集中在兩個方面：開關電容法和DC-DC 變流器法，可實現能量在相鄰電池中傳遞，其優點為損耗很少，而缺點是電路結構復雜，控制方法也較為復雜，且可靠性不強[5]。

本設計采用的是能量耗散型均衡電路，以第一串4 節電池為例，如圖4所示，通過控制均衡使能引腳BAL_A—BAL_D，有選擇地控制分流電阻上的電流，合理設計電阻R1—R4的阻值，可使均衡電流小于100mA。

圖4 第一串電池均衡電路

1.3 故障管理模塊

本設計的故障管理模塊包括電池組的過電壓狀態、欠電壓狀態、充放電過電流狀態、高溫和低溫告警、低容量狀態，以及單體電池的過電壓、欠電壓。由于電池在使用過程中，容量、內阻會發生一些變化，因此對于電池組如果在循環過程中采用固定的故障狀態判斷，則會在循環后期使得這些保護值遠大于設定的范圍，導致安全性問題，而且電池組在不同的溫度下的放電曲線差異較大，尤其在低溫環境下，如果統一設定放電截止電壓，電池組放出的容量太少，因此在單片機中存儲的電池組各個保護閾值應能隨著循環壽命和工作環境溫度的不同而進行相應的調整，這樣才能使得電池組的安全性問題得到更好的解決。

1.4 電量估算模塊

目前國內外對電池的荷電狀態SOC（state of charge）較為認可的是從電量角度定義，如美國先進電池聯合會在其《電動汽車電池實驗手冊》中定義SOC 為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值[6]。SOC 的準確估計是整個管理系統良好實現的基礎，它是電池使用過程中的重要參數，它對充分合理利用電池容量并避免損傷電池有著重要意義，在自平衡兩輪車的實際使用中，它的最直觀作用就是能夠判斷車子的續駛里程，相當于汽車上“燃油表”，表示電池的剩余能量。

常用SOC 估算方法主要有放電實驗法、Ah 計量法、開路電壓法、內阻法、線性模型法、神經網絡法、卡爾曼濾波法等[7]。本設計擬采用的是一種綜合的電量估算方法，是以Ah 計量法和開路電壓法為基礎，通過建立鋰電池Thevenin 模型（圖5），結合sigma-point 卡爾曼濾波方法，并充分考慮沖放電率、溫度及自放電等多種因素的影響，對電量估算進行補償，從而得到較為精確的SOC 估算值。

圖5 Thevenin 電池模型

Thevenin 模型中：E表示電池電動勢；Rf是電 池的歐姆內阻；Rp是電池的極化內阻，它與電容Cp并聯構成容阻回路，用于模擬電池極化過程中表現出的動態特性。

在Thevenin 模型基礎上結合Ah 計量法，可得到如下數學模型：

式中，SOC(t)表示t時刻電池的荷電狀態，C0是電池初始時刻的容量。

1）沖放電倍率補償

根據多輪的充放電循環試驗數據表明，在充電過程中，實際充電效率大概在98%，因此在SOC 估計中，可取充電效率因子μSOC=0.98。電池以不同倍率恒流放電時，放出的電量是不同的，電流越大，放出的電量越少。圖6是放電電流分別為1C、0.5C、0.25C 時的SOC 和時間曲線。

圖6 不同放電倍率下SOC-時間曲線

描述電池容量和放電電流關系[8]，目前廣泛使用的是Peukert 方程，即

式中，C、i、t分別為電池容量（Ah）、放電電流（A）和放電時間（h），n為與電池類型有關常數，K為與活性物質有關常數，為求常數n，K，用兩種不同放電電流進行放電，可得求得n和K的值，這樣就可得到任意放電倍率下的容量C。

2）溫度補償

電池組的工作溫度范圍為-20～60℃，本設計所用電池組的可用容量受溫度影響較大，溫度越低能放出的容量越少，其低溫性能下降主要是因為鋰離子電池在溫度較低時內阻會劇烈增加。反之，在高溫環境下，電池內部化學活性物質活動增強，充分的反應使得更多的化學能轉化為電能，導致電池組的可用容量增加。通過實驗可以得到鋰電池在不同溫度下的容量曲線，再將當前放電溫度下電池組的可用容量折算到25℃下的有效容量，當溫度變化時，對照容量曲線對電池組的可用容量進行補償修正。

3）自放電及循環壽命補償

電池的自放電現象指：電池在充滿電后，在沒有與外界電路接觸條件下，隨著靜置時間的增加，其容量會自然減少。靜置環境溫度也將影響電池的自放電程度，在實際使用時，要根據實驗得到的自放電特性曲線，對電池組的可用容量進行修正。最后，電池容量還會隨著電池循環次數的增加而衰減，因此一個精確的SOC 估算系統也應將循環次數的影響考慮在內。

2 試驗數據及分析

本設計試驗裝置實物圖如圖7所示，由電池組保護板及NBT 電池測試設備組成。為了方便測得用與估算SOC 曲線對比的實際SOC 曲線，設計了以下試驗：使用NBT 電池測試系統，設置為恒流1C放電，通過上位機可監測整個放電過程，其記錄的數據可測得實際放電SOC 曲線，再將其與管理系統中綜合估算法得到的曲線進行對比分析。

圖7 試驗實物圖

系統總體流程圖如圖8所示。

上電之后先完成單片機的初始化，在延時一定時間保證完成數據采集工作后，因為故障診斷中的各項閾值設定與電池的循環次數有關，所以系統首先進入循環壽命更新模塊。系統若發生故障，則關斷數據采集模塊，并顯示、輸出相應的故障代碼，否則根據是否充電來決定是否進入均衡模塊，由于放電過程的實時均衡控制復雜且難以實現，本系統僅在充電過程中進行均衡。電量估算模塊主要完成電量估算和顯示剩余電量功能，在對工作電流進行工作狀態判斷后，若為工作狀態則繼續數據采集循環，否則進入自放電計量模塊。

圖8 系統軟件流程圖

圖9為實際SOC 曲線和綜合電量估算法得到曲線。在t=360s 時，電池實際SOC 為80.70%，而根據綜合估算法得到的估計值為79.04%，誤差約為1.66%；在t=2520s 時，電池實際SOC 為32.45%，估算值為31.39%，誤差約為1.06%；該款自平衡兩輪車初始SOC 設計精度為5%，而本試驗結果表明綜合估算法的精度可以滿足兩輪車的實際使用需要。

圖9 實際SOC 和估算值曲線

3 結論

本文提出了一種實際的BMS 設計方案，并介紹了其中各個模塊的功能和系統總體軟件流程圖，其中電量估計是管理系統的難點，而試驗表明本設計所采用的綜合估計法可達到預定的SOC 估算精度要求。

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