張兵，吳定國(guó)，唐曉新，胡攀攀

　　（合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司，安徽 合肥 230012）

       摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)設(shè)備排放的廢棄物對(duì)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重。大力發(fā)展節(jié)能新技術(shù)，積極開發(fā)新型動(dòng)力能源來(lái)減輕工業(yè)設(shè)備對(duì)常規(guī)化石燃料的依賴已經(jīng)變得刻不容緩。以鋰離子電池作為工業(yè)設(shè)備的動(dòng)力能源裝置能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。電池管理系統(tǒng)(BMS)作為鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，是電池與整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的連接紐帶。電池管理系統(tǒng)主要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池參數(shù)（電壓、電流、溫度等），判斷出電池當(dāng)前的工作狀態(tài)，若存在不平衡則通過(guò)均衡控制單元使整個(gè)鋰電池組回歸到基本平衡態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：鋰電池；BMS；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0引言

　　目前,動(dòng)力電池管理系統(tǒng)在設(shè)備上的運(yùn)用還存在一些技術(shù)瓶頸需要突破。如何解決動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題是本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)所要完成的主要內(nèi)容。

　　本文設(shè)計(jì)的電池均衡管理系統(tǒng)主要服務(wù)于各種以鋰電池作為動(dòng)力的工業(yè)設(shè)備，鋰電池管理系統(tǒng)各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)來(lái)支撐。由于一般鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)所需的電池?cái)?shù)量較多，因此在對(duì)鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮到采集系統(tǒng)的通用性；由于實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較為復(fù)雜，必須確保BMS通信的可靠和穩(wěn)定［1］。

1電池均衡管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的BMS采用三層式分布控制結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要，同時(shí)滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。通過(guò)模塊化的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)鋰電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。本節(jié)主要介紹所設(shè)計(jì)的電池管理硬件系統(tǒng)的框架及各個(gè)功能模塊具體的功能。

　　（1）現(xiàn)場(chǎng)控制單元模塊

　　現(xiàn)場(chǎng)控制單元模塊的主要作用是通過(guò)數(shù)據(jù)采集芯片獲得電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號(hào)，并通過(guò)控制器對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過(guò)算法處理獲得整個(gè)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及上位機(jī)估算的電池系統(tǒng)的剩余容量，如出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的均衡控制單元電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組能量均衡一致，并實(shí)時(shí)地將電池的工作狀態(tài)通過(guò)人機(jī)交互界面提供給用戶。如果電池出現(xiàn)故障則及時(shí)告知用戶并作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作［2］。由于本系統(tǒng)要求與下位機(jī)通信，需要接有顯示屏等外設(shè)，所以需要現(xiàn)場(chǎng)控制器具有豐富的外設(shè)接口。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器選用ATmel公司的ATmega32HVB。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　（2）數(shù)據(jù)采集模塊

　　底層系統(tǒng)是電池?cái)?shù)據(jù)采集芯片，它的功能主要包括對(duì)電池的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)調(diào)理和采集。這些信號(hào)數(shù)據(jù)的精確采集對(duì)電池能量均衡尤為重要，電池儲(chǔ)存能量使用策略的制定至關(guān)重要。底層的數(shù)據(jù)采集芯片共包含兩種采集模塊：?jiǎn)误w電壓采集模塊和電池單體溫度采集模塊［3］。一個(gè)數(shù)據(jù)采集板共采集3塊電池單體的電壓和6塊電池單體的溫度。

　　（3）均衡控制單元模塊

　　均衡控制模塊的主要功能是將經(jīng)過(guò)ATA6870芯片處理過(guò)的數(shù)據(jù)由ATmega32HVB主控制器根據(jù)相應(yīng)的均衡控制算法做出均衡控制決策，將能量由電壓高的電池單體傳遞并短暫儲(chǔ)存在相應(yīng)的儲(chǔ)能電感中，隨后，能量通過(guò)儲(chǔ)能電感轉(zhuǎn)移到相鄰的電池單體中，這種能耗較小的雙向均衡方式提高了鋰電池組的整體容量，同時(shí)也減緩了鋰電池單體的劣化程度（SoH）［4］。

　　1.1均衡控制電路

　　關(guān)于均衡控制，國(guó)內(nèi)外所研究出的策略方法數(shù)不勝數(shù)，本文均衡控制電路的設(shè)計(jì)思路是基于雙向無(wú)損均衡思想下展開進(jìn)行的，實(shí)際證明此方法高效實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)。

　　均衡控制整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電池單體間的能量自主向著平衡轉(zhuǎn)移，一步步減小各個(gè)電池單體的差距進(jìn)而達(dá)到整體均衡。本文設(shè)計(jì)的均衡模塊能量由電壓值較高的單體轉(zhuǎn)移到電壓值較低的單體，從而達(dá)到整體均衡［5］。如前面所述電池的電壓是體現(xiàn)電池當(dāng)前狀態(tài)SoC的代表性參數(shù)，即整個(gè)鋰電池組達(dá)到了能量均衡狀態(tài)。此種均衡方式FET導(dǎo)通損耗小，電路組成簡(jiǎn)易，且能量轉(zhuǎn)移過(guò)程快速高效，故本文采用此種均衡方式［3］。具體的均衡電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　系統(tǒng)首先通過(guò)ATA6870的電壓檢測(cè)單元檢測(cè)出當(dāng)前電池的電壓狀態(tài)值，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換，由于ATA6870內(nèi)部沒有PWM生成模塊，所以，將相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)芯片相應(yīng)的SPI通信接口傳送到微控制器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的均衡決策，通過(guò)PWM輸出信號(hào)來(lái)控制相應(yīng)的PMOS開關(guān)狀態(tài)［6］，如圖3所示，當(dāng)Cell n的電壓高于Cell n-1時(shí)，相應(yīng)的PMOS導(dǎo)通，電池能量暫時(shí)存放在電感Ln中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，PMOS關(guān)斷，通過(guò)續(xù)流作用，電感中能量轉(zhuǎn)移到Cell n-1中，相反情況也是如此。能量可以在相鄰單體電池間雙向無(wú)損流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整體電池組的能量均衡。當(dāng)然，這里所說(shuō)的無(wú)損也是相對(duì)的，絕對(duì)的無(wú)損是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　1.2均衡控制單元程序設(shè)計(jì)

　　ATmega32HVB擁有內(nèi)部集成FET驅(qū)動(dòng)單元模塊，用此來(lái)平衡電池組中各個(gè)單體電池。各個(gè)FET都是通過(guò)軟件程序直接進(jìn)行控制，從而允許電池均衡算法在軟件中得以實(shí)現(xiàn)。單電池平衡的FET是由CBSR寄存器控制，鄰近的場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能同時(shí)啟動(dòng)。CBSR控制寄存器的控制字如圖4所示。高兩位（D6~D7）為預(yù)留位，一般設(shè)置為0，D0~D5之中的任何一位置1，相應(yīng)的FET通過(guò)PV引腳輸出高電平信號(hào)導(dǎo)通。均衡控制程序流程圖如圖5所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　本文設(shè)計(jì)的均衡控制模塊FET的開關(guān)斷信號(hào)，運(yùn)用軟件程序?qū)崿F(xiàn)PWM控制，設(shè)置的PWM頻率為3 kHz左右，占空比取49%，因?yàn)榻?jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)可知取該值時(shí)均衡速度比較快，效率也比較高。這里給出均衡控制過(guò)程中單片機(jī)輸出的任意四路PWM波形，如圖6所示。

      將本系統(tǒng)所使用的12塊力神（3.7 V，2 200 mAH）磷酸鐵鋰電池放電置不同狀態(tài)，利用本文設(shè)計(jì)的電池均衡控制管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從均衡實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可以看出，鋰電池組的電壓由初始的各個(gè)壓值通過(guò)均衡控制實(shí)驗(yàn)裝置最后壓值平衡到本文設(shè)定的閾值（0.1 V）之內(nèi)，且均衡控制所用的時(shí)間較短，符合實(shí)際應(yīng)用要求。

3結(jié)束語(yǔ)

　　綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度較高，可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，基本上完成了上述的功能。而且由于CAN總線的使用，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)展就能運(yùn)用在大多數(shù)以磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用場(chǎng)合，兼容性高。

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