一種并行填谷均衡的動力鋰電池管理系統研究

冉　峰，徐　浩，李文輝，嵇維貴，唐英斌

(上海大學，上海200072)

一種并行填谷均衡的動力鋰電池管理系統研究

冉峰，徐浩，李文輝，嵇維貴，唐英斌

(上海大學，上海200072)

闡述開發的一套鋰電池管理系統(BMS)，包括電壓采樣電路、電池均衡電路、MCU控制電路三部分。為了克服多節電池串聯后所帶來的高共模電壓，電壓采樣部分采用磁環隔離“飛電容”采樣。均衡部分采用“反激式變換器”能量轉移式主動均衡技術，實現并行填谷均衡功能。構建的硬件模型實測數據顯示電壓采樣精度約達0.2%，均衡效果使得電池組單次放電時間增加6%。

鋰電池；電池管理系統；并行填谷均衡；主動均衡；飛電容；反激式變換器

在國內外大力發展綠色移動電源的過程中，高能量鋰電池的應用帶來了動力電池管理系統(BMS)革命性的發展。大容量電池組必須通過串并聯的方式形成電池組,而單體電池本身的不一致性和使用環境的細微差別均會造成電池壽命和放電時間的下降，甚至因個別電池的過充引起自燃或爆炸，大大影響整個電池組的壽命、性能和安全性。BMS作為實時監控自動均衡智能充放電的電子部件，具有保障安全、延長壽命和放電時間、估算剩余電量等重要功能，是動力和儲能電池組中不可或缺的重要部件。

由于單個鋰電池的電壓值小于4 V，因此在高電壓工作場合就需要電池組串聯起來工作[1]。然而，當電池組反復地充電和放電，由于不同電池的阻抗不同和環境不同，電池的充電不均衡就會慢慢出現[2]。不均衡的電池組在充電過程中，受最高電壓電池限制而無法將整個電池組電量充滿，在放電過程中，受最低電壓電池限制而無法將整個電池組電量放完。

為解決以上問題，設計了本文闡述的動力鋰電池管理系統，并就其中關鍵技術進行分析。為了提高電池的可靠性和方便生產，動力鋰電池管理系統需要使用模塊化的結構。本文以12節鋰電池串聯構成的電池組作為對象，設計了一種動力鋰電池管理系統，并對構成的系統進行測試和分析。

系統結構主要分為5部分，分別為電池電壓采樣模塊，電池能量均衡模塊，電池組保護模塊，MCU中央控制顯示模塊和上位機顯示模塊。系統結構如圖1所示。

圖1　電池管理系統結果圖

1　電池電壓采樣

電池電壓是衡量電池工作狀況的重要參數，檢測電路的精度直接決定了蓄電池組均衡管理的工作情況。根據電壓不僅可以估算電池的剩余電量，判斷當前電壓是否超過允許的極限電壓，而且還可以判斷電池組均衡性的好壞。因此，電池電壓的準確測量是非常重要的問題[3]。

鋰離子電池組中單體電壓測量的難點在于如何消除單個電池兩端的共模電壓和消除測量電路對電池的影響[4]。本系統采用磁環隔離飛電容采樣技術，實現了隔離驅動開關通斷，避免了高共模電壓的影響，同時飛電容采樣技術對電池的影響也是可以忽略不計的。

12節電池組電壓采樣電路拓撲結構如圖2所示，K1-K13為電池選擇開關，S1-S4為電壓極性選擇開關，S5、S6為ADC采樣開關；系統初始狀態，所有開關都處于關閉狀態；開始采樣時，首先進行電池B1采樣，閉合K1、K2、S1、S4，電池B1通過K2-S4-C-S1-K1回路給電容C充電，充電結束后，斷開K1、K2、S1、S4，閉合S5、S6，啟動ADC采樣，得到電池B1電壓。以此類推，對其余11節電池進行電壓采樣。需要注意的是：對電容C充電時，要始終保持其電壓為上正下負，當采樣奇數節電池(如B1、B3、B5…)時，給電池充電時，閉合電壓極性選擇開關的S1、S4；當采樣偶數節電池(如B2、B4、B6…)時，閉合電壓極性選擇開關的S2、S3。

圖2　飛電容采樣模塊電路圖

圖2中的開關用反向串聯的MOSFET實現，如圖3(a)所示。開關驅動電路采用磁環隔離方式實現，如圖3(b)所示。當圖3(b)方波輸入端輸入方波時，G1-GD1、G2-GD2兩端將產生電壓差，驅動Q1、Q2、Q3和Q4導通，實現開關閉合功能。相反，方波輸入端無方波時，G1-GD1、G2-GD2兩端無電壓差，MOS管Q1、Q2、Q3和Q4關斷，實現開關關斷功能。

圖3　模擬開關實現

K1-K13及K1-K4開關閉合時間的設置是保證系統測量精度的關鍵，時間太短則可能導致電容充電不完全，必然造成采樣誤差，時間過長則增加采樣時間，造成實時性的下降。因此，需要對采樣時間進行計算，假設要求測量精度是萬分之一，根據式(1)可得，采樣時間選擇10τ比較合適。

式中：Uc表示電容上的電壓；t表示電容充電時間；τ表示充電回路時間常數；UBi第i節電池的電壓；R為飛電容充電回路總電阻；C表示飛電容值。

為了得到更加準確的電池電壓，在飛電容放電后需添加一個高輸入阻抗的驅動電路。本系統采用的是磷酸鐵鋰電池，正常電壓范圍為2.0～3.8 V，而本系統采用的ADC是單片機C8051f120內置的12位ADC，其ADC參考電壓為2.4 V，由內部帶隙基準產生，所以在ADC采樣之前還需對電壓進行衰減，然后軟件進行增益修正。最后，采樣電壓時，對每節電池采樣20個電壓數據，然后采用限幅濾波算法，過濾掉不合理的值，最后去掉最大值和最小值，對其余的數據取算術平均值，得到該節的電壓數據。

實測數據如表1所示：除了ADC測量值為實際采樣結果以外，其他電壓數據采用KEITHLEY 2000萬用表測量。由于篇幅限制，這里僅列舉一次采樣數據。多次采樣數據顯示本系統所用磁環隔離飛電容采樣精度約為千分之二。

表1　電池組單體電池電壓測量數據

2　電池能量均衡電路

2.1并行填谷式均衡電路原理

電池組均衡電路是電池管理系統的核心技術，均衡的方法主要分為無損均衡和耗能均衡兩類。無損均衡在實施過程中需要一個儲能環節，使能量通過這個環節重新進行分配；耗能均衡就是將容量多的電池中多余的能量消耗掉，實現整組電池電壓的均衡[5]。本系統采用反激式變換器非能耗的能量轉移式主動均衡技術，可以同時將整個電池組能量給任意多節電池進行能量補充，實現填谷式的均衡效果。

圖4　電池組均衡電路圖

單節電池的均衡電路拓撲結構如圖4所示。I部分為射極跟隨器，以增強PWM波信號驅動；II部分用來消除變壓器漏感引起的尖峰電壓；III部分為反激式變換器，用來將一次側能量轉移到二次側；Ⅳ部分為電池組。為電池組每節電池配上該均衡電路，即可實現并行均衡功能，即可對電池組任意多節電池進行均衡。

工作原理：當電池組中電池Bi不需要能量補充時，PWM波輸入端恒為零電平，MOSFET M1截止，反激式變換器不工作，副邊由于二極管被電池反偏截止。若電池Bi需要進行能量補充，則PWM輸入端輸入占空比為μ，周期為T的PWM波，反激式變換器開始工作，變壓器將整個電池組能量饋送到副邊給電池B1充電，對其進行能量補充。

當PWM波輸入后，反激式變換器開始工作，當M1導通時，副邊回路二極管仍反向截止，電容給電池供電，由于次級線圈無電流，故初級線圈可以看成純電感，導通時間Ton內，電流線性上升，能量通過初級回路存儲在磁芯材料中；當M1截止時，此時初級回路電流上升至Ip，所有繞組電壓反向，次級回路二極管正向導通，此時次級回路電流為IS，能量通過次級回路釋放，給電容、電池充電，直至次級電流線性下降到零，反激式變換器工作在斷續狀態。初級、次級電流變化如圖5所示。

圖5　反激式變壓器初、次級電流變化

2.2反激式變壓器斷續工作

變壓器原邊電流上升斜率為：

式中：IP為原邊峰值電流；Vdc為原邊直流供電電壓，即電池組電壓值；LP為原邊電感值。

原邊峰值電流為：

式中：Ton為PWM波高電平時間。

變壓器副邊電流上升斜率為：

式中：IS為副邊峰值電流；Vo為均衡目標電池電壓，由于副邊二極管存在壓降約為1 V；LS為副邊電感值。

副邊峰值電流為：

式中：Tr為副邊電流下降時間。

為保證反激式變換器工作在斷續狀態，在PWM波高電平期間儲存的能量應等于低電平期間釋放的能量，因此有：

同時必須留有一定的死區時間，即滿足：

式中：T為PWM波周期值。

由式(2)(3)(4)(5)(6)(7)可得：

2.3均衡電流控制方法

副邊峰值電流與均衡的電流關系為：

當均衡電流的平均值定為Ieq時，由式(2)(3)(4)(5)(6)(9)可得：

本系統采用的是磷酸鐵鋰電池，典型電壓為3.3 V，其中電池組電壓為39.6 V，由本系統實際設計的變壓器參數及PWM周期，根據式(8)、(10)，得出在最大導通時間的情況下，均衡電流平均值為2.57 A。

磷酸鐵鋰電池最低工作電壓為2 V，此時電池組電壓為24 V，根據式(8)、(10)，得到最大導通時間下均衡電流平均值為1.54 A。

根據文獻[6]所述，由于鋰離子電池的特殊材料特性，鋰離子電池的充電方式和一般的可充電電池的充電方式不同，鋰離子電池的充電方式通常分為以下三個階段：

預充階段：當電池電壓降到某一規定的值時，充電器對電池進行預充電，主要是避免電池在低壓時大電流充電對電池壽命造成的影響。

恒流充電階段：當電池電壓達到恒流規定的門限值的時候，充電器便進入第二階段，即恒流充電階段。

恒壓充電階段：隨著電池充電的進行，當電池的電壓達到恒壓門限電壓時，其充電量接近其容量的40%～70%，為了進一步充滿電池，充電器進入恒壓充電階段，在恒壓充電階段，當充電電流逐漸下降到低于電池的0.1C時，充電周期完成。

本系統均衡部分可以進行充電均衡，讓電池組盡量多的儲存能量，因此，均衡系統必須按照上述的鋰電池充電方法提供相應的均衡電流，否則將導致電池充電不完全。在電壓采樣過程中，可以獲得每節電池電壓和充電回路電流，如果最高電池電壓低于恒壓門限電壓時，可以進行大電流均衡，根據式(8)、式(10)可以確定恒流充電時的導通時間。如果最高電池電壓高于恒壓門限電壓時，電池進入恒壓充電階段，這時就需要根據充電回路電流確定均衡電流大小，均衡電流原則上不可以超過充電回路電流。確定均衡電流后，根據式(8)、式(10)可以確定新的導通時間。

3　MCU中央控制

根據系統結構圖1所示，通過MCU中央控制模塊將電池能量均衡模塊和電池電壓采樣模塊連接起來，再將MCU模塊通過通信接口同上位機連接起來，并編寫上位機電壓顯示軟件，就可以構成最基本的電池均衡系統。

在電池組均衡過程中，若某個電池處于能量補充狀態，就會有電流流入該電池，若此時對電池進行電壓檢測，由于電池的內阻壓降，會引起測量誤差，因此采樣期和均衡期在時間上要分開，以消除此效應。因此本系統以1 s為周期，其中前0.2 s用于電池組每節電池電壓采樣和數據傳輸，0.8 s用于能量均衡。

由于電池均衡存在能量損耗，因此需要優化均衡策略，在保證均衡效果的同時，最大程度減小能量損耗。本系統采用兩個指標來判斷是否需要進行均衡，當電池組電壓極差超過50 mV時，電池管理系統對電池組平均值以下的電池進行均衡，用狀態STATE=BAL表示，均衡直到電池組電壓極差小于10 mV時，均衡結束，用STATE=UN_BAL表示。系統流程圖如圖6所示。

圖6　均衡算法流程圖

4　實測結果及分析

通過以上對電池管理系統關鍵技術的分析，開發了最基本的系統，包括電池電壓采樣模塊、電池能量均衡模塊、電池組保護模塊、MCU中央控制模塊、上位機顯示模塊5塊內容，上位機軟件通過Visual Basic語言開發。使用12節電池鋰電池進行放電實驗，圖7為未使用均衡的電池放電波形，放電電流為5 A，電池在放電過程中，到達50 min時，電池組電壓出現明顯差異，在90 min時，其中一節電池最先到達最低安全電壓，放電結束，但其他電池仍有電量未放出。圖8為使用了本系統均衡的放電波形，放電電流為5 A，直到90 min，電池電壓才出現明顯差異，最終電池組在95 min時才有一節電池到達最低安全電壓。實測結果表明，采用飛電容電壓采樣電路和反激式變換器能量均衡電路的電池管理系統，能夠有效地實現電池組能量轉移式的均衡，延長電池組工作時間。

圖7　12節電池組無均衡5 A放電

圖8　12節電池組有均衡5 A放電

[1]EMADI A,LEE Y J,RAJASHEKARA K.Power electronics and motor drives in electric,hybrid electric,and plug-in hybrid electric vehicles[J].IEEE Trans Ind Electron,2008,55:2237-2245.

[2]KIM M Y,KIM J W,KIM C H,et al.Automatic charge equalization circuit based on regulated voltage source for series connected lithium-ion batteries[C]//Power Electronics and ECCE Asia(ICPE& ECCE),2011 IEEE 8th International Conference on.Jeju:IEEE,2011: 2248-2255.

[3]岳仁超.電池管理系統的研究[D].北京:北京交通大學,2010:44.

[4]崔張坤,梁英.鋰電池組單體電壓檢測系統設計[J].電源技術,2013, 37(1):41-43.

[5]蔡群英,張維戈,王占國.車用動力鋰電池組的測量與均衡方法分析[J].電源技術,2011,35(4):449-451.

[6]貝天寶.磷酸鐵鋰電池充電電路的設計及實驗分析[J].機電工程技術,2008(12):62-64.

Research of power lithium battery management system with parallel filling valley balance

RAN Feng,XU Hao,LI Wen-hui,JI Wei-gui,TANG Ying-bin
(Shanghai University,Shanghai 200072,China)

A lithium battery management system was developed,consisting of voltage sampling circuit,equalization circuit of batteries and MCU control circuit.In order to overcome the problem of high common-mode voltage caused by series connected batteries,the flying capacitor technique was adopted for voltage sampling circuit.Equalization circuit adopted active equalization using fly-back converter to implement parallel filling valley balance.According to the measured data,the voltage accuracy of the system can reach about 0.2%and this balance circuit contributes to 6%time extension of one time battery discharge.

lithium battery;battery management system;parallel filling valley balance;active equalization;flying capacitor;fly back transformer design theory

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1936-03

2016-03-09

上海市科委智能制造及先進材料領域專項基金資助(13111104600);國家自然基金(61376028)

冉峰(1954—)，男，山東省人，教授，碩士，主要研究方向為控制理論與控制工程。