電池系統(tǒng)并機(jī)控制器的研究

鐘義華，唐志杰，楊國正

（雙登集團(tuán)股份有限公司，江蘇 泰州 225500）

0 引 言

為增強(qiáng)數(shù)據(jù)機(jī)房的供電可靠性，實(shí)現(xiàn)不中斷供電，通常會(huì)采用兩路獨(dú)立電源供電和用電池作為備電。在通信機(jī)房與站點(diǎn)，普遍采用電池作為備電，這些場景的電池容量需要按需配置[1]。長期的運(yùn)營中，系統(tǒng)需要電池容量的并機(jī)擴(kuò)容、電池在線接入或拔出進(jìn)行維護(hù)、新舊電池的混合利用等，這些操作也需要站點(diǎn)不中斷供電，為此需要解決電池的熱插拔以及多電池在并聯(lián)條件下的充放電管理[2]。電池接入系統(tǒng)時(shí)，電池組電池內(nèi)阻低，由于電池本身有電壓與能量，當(dāng)系統(tǒng)異常或與電池初始狀態(tài)不匹配時(shí)，直接接入會(huì)導(dǎo)致安全能量風(fēng)險(xiǎn)，如過流、短路、過壓等。為此，在系統(tǒng)與電池間需要一個(gè)中間緩沖或管理裝置。另外，電池并聯(lián)公共的接線端稱之為母線，電池由于內(nèi)阻低，兩個(gè)并聯(lián)時(shí)，即使是一個(gè)很小的電壓差值，也會(huì)在兩個(gè)電池間產(chǎn)生很大的沖擊電流；多個(gè)電池并聯(lián)時(shí)，由于電池單體與母線的電壓差，并入的電池也會(huì)對母線產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流。過大的沖擊電流會(huì)導(dǎo)致宕機(jī)、打火，甚至燒毀接插件導(dǎo)致安全事故。所以，在電池與電池間也需要一個(gè)中間緩沖或管理裝置，這種裝置可以稱之為電池控制器[3]。

電池控制器可以實(shí)現(xiàn)電池或電池組的熱插拔接入，并實(shí)現(xiàn)安全的充放電管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各組電池的均流放電。這種控制器利用檢測電路檢測電池的電壓、母線的電壓、電池的充放電電流，當(dāng)母線電壓、電池電壓在正常范圍內(nèi)，控制器啟動(dòng)工作并自動(dòng)工作于設(shè)定的工作狀態(tài)，可以調(diào)節(jié)電池與母線的電壓差，并控制電池的充電電流、放電電流，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)，并提供過壓保護(hù)、過流保護(hù)，有溫度保護(hù)。

電池控制器是處于系統(tǒng)母線與電池之間的控制器，核心功能是完成功率變換。功率變換可以完成軟啟動(dòng)、升壓、降壓、限流、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、溫度保護(hù)以及開關(guān)機(jī)，控制器的管理系統(tǒng)采樣、處理整個(gè)控制器的電流、電壓、溫度，控制功率變換式的工作狀態(tài)，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，將控制器下的電池充放電信息發(fā)送給上機(jī)，同時(shí)接受上位機(jī)的命令以控制本路功率變換的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池的智能充電或均流放電等[4]。可根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇合適的功率變換方案[5]。

1 電池控制器的實(shí)現(xiàn)方案

1.1 電池控制器概述

電池控制器提供電池的接入管理、配電接線，支持插拔維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)電池?zé)岵灏巍踩Ｗo(hù)、功率變換、均流調(diào)節(jié)[6]。

電池控制器的功能框圖如圖1所示。

圖1 電池控制器的功能框圖

電池控制器實(shí)現(xiàn)的功能如下所述。

（1）作為電池與系統(tǒng)母線的中間部件，可以提供接入、啟動(dòng)、工作、保護(hù)與關(guān)機(jī)功能。

（2）提供電池組功率變換，當(dāng)電池組間一致性較差時(shí)，電池控制單元通過升壓和平衡調(diào)節(jié)，控制電池組間電流均衡度，確保系統(tǒng)可靠工作。

（3）根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載需求與充電策略，分配各路放電電流與充電電流，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的均流與平衡，也可以讓某些電池減小放電電流甚至退出備電。

（4）實(shí)現(xiàn)電池通信及與上位機(jī)的通信，并提供相關(guān)電池管理及異常保護(hù)功能。

（5）電池控制器可以是分立式的，也可以是集中式的。

電池控制器在系統(tǒng)中的位置如圖2所示，通過控制單元并聯(lián)與通信組成電池控制器。

圖2 分布式的電池控制器

分布式的電池控制單元之間通過外部的RS485或CAN總線實(shí)現(xiàn)通信，功能上相當(dāng)于一個(gè)集中式的電池控制器。

1.2 電池控制器的并機(jī)

多電池接入時(shí)，通過電池控制器接至母線。電池控制器最重要的功能是管理電池的充放電電流，根據(jù)電池的狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)或充放電的均流或電流分配，工作過程如下。

（1）接入的電池（可以是鉛酸電池或鋰電池組），通過控制器，接至母線。這樣，所有的電池均在母線上進(jìn)行并聯(lián)。

（2）控制器的“電流采樣 ”采樣電池的充放電電流，“電壓溫度采樣”采樣電池或電池組的電壓與溫度，“電壓采樣”采樣系統(tǒng)的母線電壓或端口電壓。

（3）采樣信號(hào)匯集到集成控制IC，集成控制IC根據(jù)母線電壓狀態(tài)與上位機(jī)系統(tǒng)的命令，控制功率變換的工作狀態(tài)，包括充電升降壓、放電升降壓。

（4）功率變換可通過脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制技術(shù)工作于升降壓狀態(tài)，也可以通過線性控制技術(shù)工作于線性穩(wěn)壓限流狀態(tài)。

（5）電池放電時(shí)，所有電池的放電電流通過串口通信總線進(jìn)行匯集，計(jì)算出總電流，并計(jì)算電流的均值，從而通過功率變換電路控制電池的放電電流，達(dá)到均流放電的目的。

（6）電池充電時(shí)，通過串口通信總線接受系統(tǒng)的調(diào)度，控制電池的充電模式與狀態(tài)。

（7）根據(jù)采樣與信號(hào)與系統(tǒng)的通信與預(yù)設(shè)置的保護(hù)閾值，利用保護(hù)接口進(jìn)行關(guān)斷或保護(hù)。

1.3 電池控制器的功率變換

電池控制器的功率變換部分是整個(gè)控制器的核心，根據(jù)母線電壓狀態(tài)與上位機(jī)系統(tǒng)的命令來調(diào)節(jié)電池的輸出電壓與電流以及充電電流。控制器的功率變換比較常見的有方案一和方案二，這里也提出一種混合式的方案三。

1.3.1 方案一：橋式雙向升降壓電池管理器

橋式雙向升降壓電池管理器的原理框圖如圖3所示[7]。

圖3 橋式雙向升降壓電池管理器的原理框圖

雙向升降壓電池控制器的拓?fù)淙鐖D4所示。雙向升降壓電池控制器利用其H橋式的開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)雙向的升降壓，它的4種工作狀態(tài)如下。

圖4 雙向升降壓電池控制器的拓?fù)?/p>

（1）充電降壓狀態(tài)：整個(gè)橋式交換器工作于BUCK變換器模式（見圖5）。

圖中“PWM：D”與“PWM：1-D”，表示上下開關(guān)管工作于一種相位差為180°的互補(bǔ)狀態(tài)，而帶箭頭的線則表示工作時(shí)的電流路徑。圖5中，在開關(guān)周期的上半周，Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2關(guān)斷，母線BUS+通過Q1、L1與Q3對電池BATT充電，在開關(guān)周期的下半周，Q1關(guān)斷，Q2開通，存儲(chǔ)在L上的能量通過Q3繼續(xù)對電池BATT充電。橋式變換器的開關(guān)管工作于一種標(biāo)準(zhǔn)的BUCK變換器模式。

圖5 雙向升降壓電池控制器工作于充電降壓狀態(tài)

（2）充電升壓狀態(tài)：整個(gè)橋式交換器工作于BOOST變換器模式（見圖6）。

圖6 雙向升降壓電池控制器工作于充電升壓狀態(tài)

這里Q3、Q4組成PWM控制的開關(guān)電源變換器：BOOST變換器。

（3）放電升壓狀態(tài)：整個(gè)橋式交換器工作于BOOST變換器模式（見圖7）。

圖7 雙向升降壓電池控制器工作于放電升壓狀態(tài)

這里Q1、Q2組成PWM控制的開關(guān)電源變換器：BOOST變換器。

（4）放電降壓狀態(tài)：整個(gè)橋式交換器工作于BUCK變換器模式（見圖8）。

圖8 雙向升降壓電池控制器工作于放電降壓狀態(tài)

這里Q3、Q4組成PWM控制的開關(guān)電源變換器：BUCK變換器。

雙向升降壓電池管理器的功能最為健全，充電時(shí)可升降壓，放電時(shí)亦可以升降壓。但相應(yīng)地控制復(fù)雜、成本也高。為此經(jīng)常根據(jù)場景進(jìn)行簡化為一種降壓充電、升壓放電的電池控制器。

1.3.2 方案二：降壓充電、升壓放電的電池控制器

雙向降壓充電升壓放電的電池控制器是橋式雙向升降壓電池管理器的簡化，它的原理框圖如圖9所示。

圖9 降壓充電升壓放電的電池控制器的原理框圖

降壓充電、升壓放電的電池控制器的電路拓?fù)湟妶D10。

圖10 降壓充電升壓放電的電池控制器的拓?fù)?/p>

降壓充電、升壓放電的電池控制器的2種工作狀態(tài)說明如下文所述。

（1）充電降壓狀態(tài)：整個(gè)交換器工作于BUCK變換器模式（見圖11）。

圖11 降壓充電升壓放電的電池控制器的充電降壓狀態(tài)

此時(shí)變換器是一種標(biāo)準(zhǔn)的BUCK變換器，工作于同步整流模式[8]。

（2）放電升壓狀態(tài)：整個(gè)交換器工作于BOOST變換器模式（見圖12）。

圖12 降壓充電升壓放電的電池控制器的放電升壓狀態(tài)

此時(shí)變換器是一種標(biāo)準(zhǔn)的BOOST變換器，工作于同步整流模式[9]。

降壓充電、升壓放電的電池控制器雖然功能受限，但電路十分簡潔，在一些功能需求比較簡單的場景，可以有效地降低電路的復(fù)雜性、降低控制的復(fù)雜性，帶來良好的成本效益。因此，綜合方案一、二，提出一種混合式的電池管理方案（方案三）。

1.3.3 方案三：混合式電池控制器

混合式電池控制器的原理框圖如圖13所示。

圖13 混合式電池控制器的原理框圖

混合式電池控制器的電路拓?fù)鋱D如圖14所示。

圖14 混合式電池控制器的拓?fù)?/p>

（1）控制器主要由 F1、F2、RLY1、C1～C4、Q1～Q3、L1、Rsen以及 MCU（U1）組成。其中F1、F2、RLY1為保護(hù)接口電路，U1集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Converter，ADC）可以采集溫度、電壓與電流，U1的串口通信可以接入總線，實(shí)現(xiàn)各控制器以及系統(tǒng)的通信，同時(shí)U1控制Q1～Q3的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率變換。

（2）電流采樣由低阻值電阻Rsen進(jìn)行采樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)輸入給MCU（U1）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，電池的電壓溫度采樣在電池的端口完成，母線的電壓采樣在母線的端口完成。

（3）控制器之間的狀態(tài)信息由CAN口進(jìn)行通信。比如電池均流可以通過通信與MCU進(jìn)行處理，可稱之為數(shù)字均流。以均流為例：MCU根據(jù)系統(tǒng)總的負(fù)載電流，計(jì)算出單模塊的平均電流。如果本路控制器的輸出電流大于平均電流，則降低輸出電壓，如果本路控制器的輸出電流小于平均電流，則微微提高控制器的輸出電壓，從而增加輸出電流至平均值。

混合式電池控制器的3種工作方式說明如下文所述。

（1）降壓充電：控制器工作于BUCK變換器狀態(tài)（見圖15）。

當(dāng)母線對電池充電時(shí)，Q1與Q2工作于同步狀態(tài)，相位差為180°，為標(biāo)準(zhǔn)的BUCK同步降壓電路，Q3則工作于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)控制器工作于PWM的開關(guān)電源模式，Q1～Q3的GS間的驅(qū)動(dòng)波形如圖15 所示。前半周期，Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷，母線通過L1、Rsen、Q3，將充電能量送至電池，后關(guān)周期，Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通，存儲(chǔ)在L1上的能量通過Rsen、Q2、Q3，繼續(xù)將充電能量送至電池。

圖15 混合式電池控制器的降壓充電

（2）升壓放電：控制器工作于BOOST變換器狀態(tài)（見圖16）。

當(dāng)電池升壓放電時(shí)，Q1與Q2工作于同步狀態(tài)，相位差為180°，為標(biāo)準(zhǔn)的BOOST同步升壓電路，Q3則工作于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)控制器工作于PWM的開關(guān)電源模式，Q1～Q3的GS間的驅(qū)動(dòng)波形如圖16所示。前半周期，Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通，母線通過Rsen、L1、Q2，將充電能量送至電感L1，后關(guān)周期，Q1導(dǎo)通 Q2關(guān)斷，存儲(chǔ)在L1上的能量與電池上的能量，同時(shí)通過Rsen、Q1，繼續(xù)將充電能量送至母線或負(fù)載。

圖16 混合式電池控制器的升壓放電

（3）線性限流放電：控制器工作于線性限流調(diào)壓的變換器狀態(tài)（見圖17）。

圖17 混合式電池控制器的線性限流放電

當(dāng)需要電池降壓放電時(shí)，Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2工作于關(guān)閉狀態(tài)，相位差為180°，Q3則工作于線性導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)控制器工作于線性限流穩(wěn)壓模式[10]。Q1～Q3的GS間的驅(qū)動(dòng)波形如圖17所示，控制驅(qū)動(dòng)波形的幅值來控制Q3工作于放大狀態(tài)。本路控制器的MCU根據(jù)母線的狀態(tài)，需要進(jìn)一步限制本路輸出電路，則利用Q3的導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行線性限流，控制Q3的驅(qū)動(dòng)電壓，則可以控制Q3的導(dǎo)通阻抗，如需減小電流，則降低Q3的驅(qū)動(dòng)電壓，增加導(dǎo)通阻抗，從而減小了輸出電流，實(shí)現(xiàn)限流。

方案三的電池控制器工作于雙向變換器狀態(tài)，可以PWM的開關(guān)電源方式也可以線性限流，在功能與成本方面實(shí)現(xiàn)了很好的綜合。

2 結(jié) 論

本文分析研究的電池控制器，可以讓電池能方便、快捷、安全地接入或拔插出系統(tǒng)，組成不同容量等級(jí)的備電系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)電池電池組的智能管理。

本文提及的3種方案有復(fù)雜的高成本方案一和簡潔的低成本方案二，也有兼顧功能與成本的方案三，可以根據(jù)場景功能與成本要求選擇，以實(shí)現(xiàn)大容量電池狀態(tài)下電池與系統(tǒng)的安全與備電。