基於主動均衡策略的電動汽車用鋰電池管理系統設計研究
內容摘要：為提高電動汽車用鋰離子動力電池單體間的一致性及其能量利用率，需對電池單體或在模組間進行電量均衡。在研究動力電池組主動均衡策略的基礎上，對均衡系統進行模擬建模，得到了動力電池電量、均衡時間與反激式直流轉換器通斷間的關係，並根據模擬分析結果搭建試驗平台進行驗證。驗證結果表明，設計開發的動力電池均衡管理系統可實時檢測電池單體的情況，並實現可編程式電池能量主動均衡，具有良好的均衡效果。
關鍵詞：電池管理系統；主動均衡；能量管理
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1、前言
動力電池是電動汽車重要的能量存儲裝置和動力來源，直接影響整車的安全性[1-2]。為滿足電動汽車工作時的大電流和高電壓等需求，鋰電池單體需要通過串、並聯的方式以多種組合形式形成合適的電池模組。受工業生產和工藝水平的限制，動力電池存在細微的不一致性，而外界環境變化引起的電池內阻、容量的變化會加劇這種不一致性，導致電池負載能力和使用能力的進一步下降[3-4]。為了提高電池單體的一致性，提高電池能量利用率，必須對電池單體間的不一致性進行均衡管理。動力電池不一致性的均衡管理一般由動力電池管理系統（Battery Management System，BMS）進行。BMS的均衡管理功能可避免動力電池單體長時間存在較大的溫差造成電池一致性的惡化，從而改善動力電池系統的性能，延長電池的使用壽命[1-2]。
動力電池的均衡管理是動力電池系統設計研究的重要內容之一。近年來，國內外學者提出了多種主動均衡的方式。根據電池單體能量的轉移方式可分為電感式、電容式、變壓器式和其他開關電路拓撲的方式[5-7]。發達國家對電池管理系統的研究起步較早，德國已經有比較成熟的BMS；國內已有公司研發了帶有「主動均衡、無線傳輸」核心功能的BMS產品，較為顯著地解決了鋰離子動力電池組不一致性的問題[4]。
本文基於主動均衡策略，在採用變壓器進行能量轉移的主動均衡方案和控制方案的基礎上，根據鋰離子的特點和工作要求，設定均衡電路性能指標，完成均衡電路的模擬分析，並根據模擬結果搭建試驗平台進行試驗，驗證了該主動均衡方案的可行性。
2、動力電池均衡管理系統基本類型
動力電池均衡管理系統的均衡方式主要為主動均衡和被動均衡[8]。被動均衡的工作特點是以電阻放電的方式，消耗高電能電池的電能。主動均衡的工作特點是通過主動控制實現能量從高能量水平的電池轉移到低能量水平的電池[9-11]。其優點是沒有電能的損耗與浪費，電能轉移過程不產生多餘的熱量，有利於溫度的均衡性。其缺點是均衡電路設計較為複雜，實現困難，成本遠高於被動均衡。
主動均衡如能解決上述問題，將是一種均衡效果更優的電池均衡方式。本文重點研究動力電池的主動均衡系統，其均衡方法主要有：
由變壓器構成的均衡方法
其原理是變壓器的副邊與各電池相連，原邊與需均衡的電池單體相連，通過控制原邊的通斷將需要均衡的電池單體的能量轉移到原邊，由於變壓器的特性，副邊繞組也會產生能量，並傳遞到其他電池單體。該方法通過改變變壓器的匝數比可以調整均衡速率，能量轉移速度較快，性價比高，但在能量轉移過程中，變壓器等器件的發熱會造成能量的散失。
由電容構成的均衡方法
通常將電容並聯在電池單體上，通過控制電容與電池之間的通斷控制電池能量的轉移。這種方法結構簡單，易於實施，均衡過程可控，但是能量轉移速率受電容容量限制，且電容與電池的並聯方式決定了主動均衡的效率。
由電感構成的均衡方法
系統組成與電容構成的均衡方法基本相同，常見的是將電感並聯在電池單體上實現能量的轉移，其能量轉移速度也較慢。
對於主動均衡來說，目前研究的難點有[12-13]：提高數據採集精度、改善電池剩餘電量演算法、以低成本實現可靠、快速的電量均衡。
3、動力電池主動均衡電路模擬
設計電池模組主動均衡電路後，利用MATLAB/Simulink 對均衡電路進行建模與模擬分析。利用Simulink搭建均衡電路，並查看均衡電路工作後2個電池的電壓變化情況，從而判斷均衡效果。
圖1所示為均衡電路模擬模型，其中，R3為副邊電路等效電阻，電阻R2=10 kΩ、電容C2=1 pF及二極體Ds組成副邊電壓關斷緩衝電路，限制副邊的漏極在開關斷開之後產生高電壓，R1=0.5 Ω為電路等效電阻，Mosfet為開關，並聯C1=100 nF為Mosfet等效結電容，脈衝發生器負責提供躍遷信號。二極體的PN結之間存在電容，可通過交流電，由於結電容通常很小，當二極體PN結之間的交流電頻率較低時，PN結只允許單向電流通過，當PN結上的交流電頻率較高時，允許交流電通過。
圖1：單體電池均衡電路模擬模型
通過主動控制反激式DC/DC轉換器的通斷，在不停地閉合和斷開開關的過程中，電池1放電，變壓線圈原邊電動勢升高，經過放大，副邊電動勢超過電池2並對其充電。其中，變壓線圈原邊與副邊匝數比為1∶4，脈衝開關的周期為20 ns，脈衝寬度為50%。
電池管理系統軟體以CodeWarrior for HCS12 V5.1為開發環境，採用C 語言編寫，包括控制模塊與採集模塊。
如圖2 所示，主控系統初始化時，同時初始化LTC6804-1晶元，使其進入待命狀態。系統初始化成功後，程序進入主循環，根據定時器產生的時序，順序執行A/D轉換，每10 ms獲取一次電壓數據，主控晶元進行數據處理，並根據處理結果判斷是否超出預設門檻，進而判斷是否執行斷開電池輸出、啟動主動均衡等功能，所採集的數據通過CAN匯流排發送到上位機，方便使用者實時查看數據並獲取電池系統的工作狀態。
圖2 BMS控制時序
3.1 主控模塊
電池管理系統啟動後，首先進行主控模塊的初始化，對一些重要的參數進行賦值，使用SPI匯流排通過SPI通信方式初始化從控模塊LTC6804-1，直到LTC6804-1進入Stand By狀態後，進入主循環。
在主循環中，通過SPI通信的方式，主控模塊接收LTC6804-1反饋的電池單體信息，完成電壓和溫度採樣、SOC估算、數據處理、故障診斷以及CAN通訊等功能。
初始化LTC6804-1流程：
a. 發送1 個虛位元組，CSB 和SCK 上的動作喚醒LTC6804-1上的串列介面。
b. 等待20 ms以完成LCT6804-1器件上電。
c. 發送第2個虛位元組。
d. 等待5 ms。
e. 發送命令。
3.2 從控模塊
在從控模塊中，上電後完成系統初始化，根據主控模塊指令實現電壓採集、電量均衡等功能。電壓的採集採用高精度的浮地網路測量技術，結合高速光電耦合繼電器陣列，以掃描的方式實現硬體的分時復用，測量得到的電池電壓值送入高速16位A/D轉換晶元LTC6804-1中濾波處理，轉換結果通過CAN匯流排發出。
3.3 SOC 估算
本文設計的BMS對電池組的評估方法採用目前較多使用的開路電壓估演算法，即根據電池電量與電壓的關係，通過電池單體電壓使用公式修正後運算得到電池單體的電量：
式中，U 為電池單體電壓。
3.4 電池溫度信號處理
為了準確地反映電池組的溫度分布情況，同時結合電池包設計過程中溫度的分布情況，溫度採集晶元設計有12個感測器介面，可以滿足絕大部分電池包溫度採集需求。由於溫度變化速度較慢，因此選用NTC熱敏電阻感測器，將熱敏電阻組成一個電橋，測量的溫度信號送入單片機自帶的12位高精度A/D轉換器中處理。
為了更加準確地獲得NTC熱敏電阻阻值與溫度的關係，對各溫度下NTC電阻的溫度與電阻進行測量並擬合，得到溫度為：
式中，R 為NTC熱敏電阻阻值。
利用某溫度下的電阻對式（1）進行驗證，結果表明，二者相差不超過1%。
4、BMS 硬體設計
BMS需要對電池模組的各單體電池信息進行採集與管理，當電池單體的數目增多時，如果採用集成化模塊設計，便對主控晶元的性能提出了更高的要求。本系統採用可拓撲式設計，根據電池單體的數目可增加採集晶元的數量，主控與從控晶元通過CAN進行通訊，完成信息的採集與控制策略的執行。
4.1 溫度信息採集模塊
BMS需要實時檢測電池單體溫度，對於對溫度比較敏感的鋰電池，應該儘可能採集更多的數據，同時，必須具有高的精確度。由此，選用Freescale 9S12 系列的XS128作為處理器，該處理器具有8位、10位、12位可編程A/D轉換模塊，硬體電路如圖3所示。
圖3 溫度採集電路原理
通過12位解析度的A/D轉換器採集NTC熱敏電阻的電壓，電容起到硬體濾波作用，減少高頻信號對採集信號的干擾。該電路硬體容易實現且採集精度滿足電池狀態檢測的需要。採用高精度NTC熱敏電阻可以提高採集數據的準確性。
根據NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度升高而降低的特性，A/D採集口可以得到NTC熱敏電阻的電位，根據電位可以換算出NTC熱敏電阻的阻值：
式中，VA/D為熱敏電阻電壓。
得到電阻數據後，查表換算得到溫度。
4.2 電池單體電壓採集模塊
根據外圍設備的要求，電池單體通過不同的串、並聯方式組合成不同電池模組，最高電壓可達100 V 以上。為了準確獲得數量眾多的電池單體電壓，採用LTC6804-1晶元進行採集。
LTC6804-1晶元為多節電池的電池組監視器，最多可測量12個串接電池的電壓並具有低於1.2 mV的總測量誤差。監測12個以上的電池單體時，可將LTC6804-1串聯。硬體電路如圖4所示。
圖4 電池單體電壓採集電路
LTC6804-1 通過SPI 串列介面與主控晶元通訊。SPI是一種高速、全雙工同步通信匯流排，且晶元管腳只佔用4根線。Freescale XS128晶元用同一個SPI匯流排介面實現與主控晶元的通信。
4.3 主控模塊設計
BMS需通過一個主控晶元接收外設採集到的數據，執行計算、控制與決策等功能，實現對電池系統的控制。NXP公司的XS128晶元作為一款汽車級晶元，較工業級晶元具有更大的工作溫度範圍與更好的抗干擾性，適合在汽車等比較惡劣的工況下運行，同時可靠性也大大提高。
主控晶元通過SCK、MOSI、MISO、CSB 等4 個管腳與LTC6804-1進行通信，大幅節省了管腳數量，實現了對電池電壓信息的實時高速採集，如圖5所示。
圖5 BMS主控電路
4.4 電源模塊設計
為了適應汽車上的使用要求，BMS從控單元擁有12 V直流電轉5 V直流電的供電電路。電路提供足夠穩定的5 V直流電壓，紋波小，可以滿足主控晶元等器件的使用需求。
圖6所示為BMS供電電路，其中，12 V輸入端裝有1 A電流保險絲，防止電流過大造成晶元損壞。電路採用TLE4270晶元轉換電壓。為了進一步減少紋波電壓，該晶元輸入端與輸出端均採用了100 pF、100 nF、47μF的電容旁路。
圖6 BMS電源電路
4.5 CAN 通信模塊設計
為了實現BMS與整車控制器等設備的通信交流，本系統採用了圖7所示的CAN匯流排通信系統。CAN電路通過TJA1050晶元實現信息傳輸，其TXD口直接與主控晶元的CAN_TXD的IO口相連，RXD口與CAN_RXD口相連，通過對主控晶元的編程可以簡便地實現BMS與整車其他電子設備的通信。
圖7 CAN匯流排模塊
4.6 主動均衡模塊設計
當電池系統中的電池單體電量差達到一定程度時，便需要開啟主動均衡功能。本系統採用LT8584晶元與小型變壓線圈對電池實行電量主動均衡。
如圖8 所示，LT8584 的OUT、Din 管腳可以與LT6804-1的C、S系列的管腳無縫連接。當電池模組中某一單體電壓過高時，通過控制LT8584的SW管腳的通斷，可以使該電池對線圈原邊產生脈衝電壓。該電壓經過變壓器副邊放大後接到整個電池模組的正、負極，電量將會通過變壓線圈施加到整個電池模組中，對其充電，從而實現可編程式的主動均衡控制策略。
圖8 BMS主動均衡電路
5、BMS 試驗結果
設計完成後的BMS主動均衡系統的PCB原理圖和實物分別如圖9、圖10所示。
圖9 BMS主動均衡系統PCB圖
圖10 BMS主動均衡系統實物
圖11所示為主動均衡模塊開啟情況下模擬試驗得到的電池電壓變化曲線。兩個電池單體的初始電壓分別為3.9 V與3.75V，主動均衡模塊開啟後，高電壓電池單體對低電壓電池單體進行充電，最終兩個電池單體的電壓趨近於相同，達到主動均衡效果。
圖11 電池單體電壓變化曲線
利用設計的動力電池主動均衡系統對存在電池單體不一致性的電池組進行充、放電試驗，通過調整電阻的阻值，改變電池組的放電電流，將數據導出並繪出隨機抽取的2 個電池單體放電溫度曲線，如圖12、圖13所示。
圖12 電池單體小電流放電溫升曲線
圖13 電池單體大電流放電溫升曲線
由圖12可知，電池組在進行小電流放電時，電池單體溫度沒有明顯的變化，在持續的245（採樣間隔10 s）次採樣中，均維持32 ℃的溫度不變。而由圖13可知，電池組進行大電流放電時，電池1與電池2出現了溫度差異，兩者溫度均有上升，在241次（採樣間隔10 s）採樣過程中，溫度上升約為1 ℃。
對電池組進行放電，同時主控模塊開啟主動均衡功能，對存在壓差的2個電池單體進行電量主動均衡，將數據導出並繪出如圖14所示的電池均衡電壓曲線。
從圖14可以看出，電量不同的電池單體在放電過程中，主控模塊開啟主動均衡功能後，電量多的電池單體通過變壓線圈將電量轉移到線圈副邊，線圈副邊對整個電池模組進行充電。電池1的電量逐漸下降，電壓曲線隨著均衡的過程逐漸貼合，電壓差非常小。
圖14 電池單體主動均衡電壓變化曲線
試驗結果論證了Simulink建模模擬的結果，BMS通過主動均衡的方式，在高精度採集模塊的輔助下，實現了電池能量的轉移。該主動均衡策略可以同時對多個電量高的電池單體進行放電轉移，可以有效、快捷地進行電量均衡。同時，通過可編程式的均衡電量閾值判斷，可以修改實行主動均衡的電壓差，從而更加智能地對電池電量進行管理。
結論
本文針對BMS中的主動均衡系統進行了研究，設計了動力電池系統的主動均衡系統模擬模型，並設計了實物進行試驗驗證，模擬和試驗結果表明，本文設計的動力電池主動均衡系統具有良好的均衡效果，能夠在動力電池的充、放電過程中實時進行均衡控制，但該均衡系統的能量轉移效率和系統的穩定性有待進一步提高。
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本文來自期刊《汽車技術》2018-06-04
作者： 王燦燁、劉庚辛、王鑫泉、符興鋒
整理編輯：Zoe
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