电池管理系统均衡控制电路设计-AET-电子技术应用

电池管理系统均衡控制电路设计

2016年微型机与应用第21期

张兵，吴定国，唐晓新，胡攀攀

合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽合肥 230012

摘要： 随着全球经济的持续发展，工业设备排放的废弃物对环境的污染日趋严重。大力发展节能新技术，积极开发新型动力能源来减轻工业设备对常规化石燃料的依赖已经变得刻不容缓。以锂离子电池作为工业设备的动力能源装置能够很好地解决这个问题。电池管理系统(BMS)作为锂电池动力系统中的关键部件，是电池与整个动力系统的连接纽带。电池管理系统主要通过实时监测电池参数（电压、电流、温度等），判断出电池当前的工作状态，若存在不平衡则通过均衡控制单元使整个锂电池组回归到基本平衡态。

关键词： 锂电池 BMS 实时监测

Abstract：

Key words :

　　张兵，吴定国，唐晓新，胡攀攀

　　（合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽合肥 230012）

摘要：随着全球经济的持续发展，工业设备排放的废弃物对环境的污染日趋严重。大力发展节能新技术，积极开发新型动力能源来减轻工业设备对常规化石燃料的依赖已经变得刻不容缓。以锂离子电池作为工业设备的动力能源装置能够很好地解决这个问题。电池管理系统(BMS)作为锂电池动力系统中的关键部件，是电池与整个动力系统的连接纽带。电池管理系统主要通过实时监测电池参数（电压、电流、温度等），判断出电池当前的工作状态，若存在不平衡则通过均衡控制单元使整个锂电池组回归到基本平衡态。

　　关键词：锂电池；BMS；实时监测

0引言

　　目前,动力电池管理系统在设备上的运用还存在一些技术瓶颈需要突破。如何解决动力锂电池系统出现的问题是本文设计的电池管理系统所要完成的主要内容。

　　本文设计的电池均衡管理系统主要服务于各种以锂电池作为动力的工业设备，锂电池管理系统各个功能的实现需要一个完整的硬件系统来支撑。由于一般锂电池动力系统所需的电池数量较多，因此在对锂电池管理系统的设计中必须考虑到采集系统的通用性；由于实际应用现场的环境较为复杂，必须确保BMS通信的可靠和稳定［1］。

1电池均衡管理系统设计

　　本文设计的BMS采用三层式分布控制结构，提高整个系统的可靠性、稳定性和可维护性，可以满足不同应用场合的需要，同时满足大规模生产的要求。通过模块化的结构来设计整个锂电池管理系统的硬件系统。本节主要介绍所设计的电池管理硬件系统的框架及各个功能模块具体的功能。

　　（1）现场控制单元模块

　　现场控制单元模块的主要作用是通过数据采集芯片获得电池系统中电池的电压、温度信号，并通过控制器对获得的数据进行处理，再通过算法处理获得整个电池系统的工作状态及上位机估算的电池系统的剩余容量，如出现电池能量不均衡的状态，则通过现场控制器来启动相应的均衡控制单元电路实现整个电池组能量均衡一致，并实时地将电池的工作状态通过人机交互界面提供给用户。如果电池出现故障则及时告知用户并作出相应的保护动作［2］。由于本系统要求与下位机通信，需要接有显示屏等外设，所以需要现场控制器具有丰富的外设接口。本系统现场控制器选用ATmel公司的ATmega32HVB。系统硬件框图如图1所示。

图像 001.png

　　（2）数据采集模块

　　底层系统是电池数据采集芯片，它的功能主要包括对电池的信号进行相关调理和采集。这些信号数据的精确采集对电池能量均衡尤为重要，电池储存能量使用策略的制定至关重要。底层的数据采集芯片共包含两种采集模块：单体电压采集模块和电池单体温度采集模块［3］。一个数据采集板共采集3块电池单体的电压和6块电池单体的温度。

　　（3）均衡控制单元模块

　　均衡控制模块的主要功能是将经过ATA6870芯片处理过的数据由ATmega32HVB主控制器根据相应的均衡控制算法做出均衡控制决策，将能量由电压高的电池单体传递并短暂储存在相应的储能电感中，随后，能量通过储能电感转移到相邻的电池单体中，这种能耗较小的双向均衡方式提高了锂电池组的整体容量，同时也减缓了锂电池单体的劣化程度（SoH）［4］。

　　1.1均衡控制电路

　　关于均衡控制，国内外所研究出的策略方法数不胜数，本文均衡控制电路的设计思路是基于双向无损均衡思想下展开进行的，实际证明此方法高效实用，易于实现。

　　均衡控制整体结构如图2所示，此系统可实现电池单体间的能量自主向着平衡转移，一步步减小各个电池单体的差距进而达到整体均衡。本文设计的均衡模块能量由电压值较高的单体转移到电压值较低的单体，从而达到整体均衡［5］。如前面所述电池的电压是体现电池当前状态SoC的代表性参数，即整个锂电池组达到了能量均衡状态。此种均衡方式FET导通损耗小，电路组成简易，且能量转移过程快速高效，故本文采用此种均衡方式［3］。具体的均衡电路结构如图3所示。

图像 002.png

图像 003.png

　　系统首先通过ATA6870的电压检测单元检测出当前电池的电压状态值，经过芯片内部的ADC转换，由于ATA6870内部没有PWM生成模块，所以，将相应的数字信号通过芯片相应的SPI通信接口传送到微控制器，经过相应的均衡决策，通过PWM输出信号来控制相应的PMOS开关状态［6］，如图3所示，当Cell n的电压高于Cell n-1时，相应的PMOS导通，电池能量暂时存放在电感Ln中，经过一段时间，PMOS关断，通过续流作用，电感中能量转移到Cell n-1中，相反情况也是如此。能量可以在相邻单体电池间双向无损流动，从而实现整体电池组的能量均衡。当然，这里所说的无损也是相对的，绝对的无损是无法实现的。

　　1.2均衡控制单元程序设计

　　ATmega32HVB拥有内部集成FET驱动单元模块，用此来平衡电池组中各个单体电池。各个FET都是通过软件程序直接进行控制，从而允许电池均衡算法在软件中得以实现。单电池平衡的FET是由CBSR寄存器控制，邻近的场效应晶体管不能同时启动。CBSR控制寄存器的控制字如图4所示。高两位（D6~D7）为预留位，一般设置为0，D0~D5之中的任何一位置1，相应的FET通过PV引脚输出高电平信号导通。均衡控制程序流程图如图5所示。

图像 004.png

图像 005.png

2实验结果及分析

　　本文设计的均衡控制模块FET的开关断信号，运用软件程序实现PWM控制，设置的PWM频率为3 kHz左右，占空比取49%，因为经过多次实验可知取该值时均衡速度比较快，效率也比较高。这里给出均衡控制过程中单片机输出的任意四路PWM波形，如图6所示。

图像 006.png

将本系统所使用的12块力神（3.7 V，2 200 mAH）磷酸铁锂电池放电置不同状态，利用本文设计的电池均衡控制管理系统进行实验，具体的实验数据如表1所示。从均衡实验得出的数据可以看出，锂电池组的电压由初始的各个压值通过均衡控制实验装置最后压值平衡到本文设定的阈值（0.1 V）之内，且均衡控制所用的时间较短，符合实际应用要求。

图像 007.png