后备锂电池组被动均衡系统设计

袁 阳，蔡久青，汪文涛，吴 钫

后备锂电池组被动均衡系统设计

袁 阳1，蔡久青2，汪文涛2，吴 钫2

(1. 海装驻葫芦岛地区军事代表室，辽宁省葫芦岛市 125004；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

后备锂电池组长期处于浮充状态，单体电池特性的不一致会影响电池组的性能和使用安全。本文针对后备锂电池组浮充工况，采用以单体电池电压为均衡变量的被动均衡控制策略，并基于第三代电池组监视器芯片LTC6804进行主从式被动均衡系统设计，试验结果验证了所设计均衡系统的有效性。

锂电池 被动 均衡

0 引言

磷酸铁锂电池具有比能量大、使用寿命长、自放电率低等优点[1]，适合作为UPS等电源设备的后备电池使用。后备锂电池组由多个锂电池模块串联组成，锂电池模块又由多节单体电池串联组成，在这种成组方式下单体电池特性的差异会导致电池组不一致的问题[2]。后备锂电池组浮充充电时采用恒压限流的方式，在长期的浮充过程中电池组内的单体电池间的不一致现象进一步加剧[3]，最终会影响电池组的可用容量、使用寿命和使用安全。均衡控制技术通过实时监测和动态调节电池组内各单体电池运行状态，可以有效避免电池的电滥用和热滥用，是解决不一致问题的主要途径。

目前均衡控制策略主要包括主动均衡和被动均衡[4]两大类，其中被动均衡结构简单、可靠性高、经济实用。被动均衡控制通常以单体电池电压为均衡变量，通过均衡电阻对电压较高的单体电池进行放电，可以实现各单体电池浮充过程的动态一致。

本文设计的锂电池组被动均衡系统采用主从式控制架构，锂电池模块内置从控单元对电池模块内的各单体电池运行状态进行实时管理，包括单体电池电压、温度等信息采集，充电均衡控制和故障处理。锂电池组主控单元通过CAN总线与从控单元进行通讯，对电池模块运行状态进行监测，同时采集电池组充放电电压、充放电电流、温度等信息，进行故障报警和保护。主从式控制架构能够最大限度的保证电池安全运行，同时延长电池使用寿命。

1 系统总体结构

后备锂电池组主从式被动均衡系统由电池模块、电池模块从控单元及电池组主控单元构成，如图1所示。锂电池组包含多个串联的电池模块，各电池模块均内置1个从控单元，各电池模块从控单元通过CAN总线与电池组主控单元通讯，同时主控单元通过CAN总线将电池组状态信息上传至上位机。从控单元可不依赖于主控单元，独立地对相应电池模块内的单体电池进行状态监测、均衡控制和故障保护。

图1 后备锂电池组被动均衡系统总体结构图

2 从控单元设计

电池模块内置从控单元是实现单体电池间电压均衡控制的基础，从控单元由MCU、LTC6804、隔离电源模块、通信隔离电路、电压均衡控制电路等构成，如图2所示。LTC6804为凌特公司第三代多节电池的电池组监视器芯片[5]，通过该芯片内置的16位ADC以及GPIO口可以对电池模块内单体电池电压和温度进行高精度采集，同时通过其内置的上拉PMOS输出引脚对外部均衡MOSFET进行控制。MCU通过高速通信隔离电路与电池模块监测芯片进行SPI通讯，读取LTC6804采集的电池电压和温度信息，并对LTC6804的配置寄存器进行赋值以控制其内置PMOS的输出，并将上述信息通过CAN上传至主控单元。隔离电源模块将外部输入的24V直流辅电转换为MCU和LTC6804所需的供电电压。

图2 电池模块均衡从控单元结构图

电压均衡电路采用外部均衡方式，减小LTC6804功耗及发热。外部均衡MOSFET和均衡电阻、单体电池串联连接，当满足均衡开启条件时，LTC6804控制其内置PMOS的输出以驱动外部均衡MOSFET，均衡开启后单体电池通过均衡电阻放电，均衡控制流程如图3所示。

被动均衡控制运行流程如下：（1）MCU和LTC6804进行上电初始化操作。（2）LTC6804采集各单体电池电压和温度数据，MCU通过SPI进行实时读取。（3）MCU对读取的数据进行判断，当数据出现持续超出正常测量范围时，执行数据异常操作步骤，MCU向主控单元发出从控故障信号，同时通过SPI向电池模块监测芯片下发均衡关闭信号，主控单元接收到从控故障信号进行报警并停止充电；当数据处于正常测量范围时，进行均衡开启条件判断，判断条件包括是否处于充电状态、单体电压值是否超出阈值、电压差值是否超出阈值。（4）当同时满足上述三个判断条件时，MCU通过SPI向电池模块监测芯片下发均衡开启信号；否则，MCU通过SPI向电池模块监测芯片下发均衡关闭信号。（5）MCU同时CAN向主控单元上传电池状态信息，重复（2）-（5）循环。

图3 从控单元被动均衡控制流程

3 主控单元设计

电池组主控单元是实现电池组安全运行管理的核心，主控单元由MCU、隔离电源模块、电压/电流霍尔、充电/放电控制继电器、熔断器等构成，如图4所示。电压霍尔和电流霍尔用于采集电池组电压和电流。MCU读取电压和电流霍尔采集的数据，同时通过CAN总线接收从控单元上传信息，综合判断电池组工作状态，并对充电控制继电器和放电控制继电器进行控制。隔离电源模块将外部输入的24 V直流辅电转换为MCU和电压霍尔、电流霍尔所需的供电电压。

图4 电池组主控单元结构图

图5 主控单元控制流程

电池组主控单元控制流程如图5所示，具体步骤如下：

（1）MCU进行上电初始化操作；

（2）MCU读取电压霍尔和电流霍尔采集电池组电压和电流数据，同时通过CAN总线接收从控单元上传信息；

（3）MCU对接收和读取的数据信息进行综合判断，判断条件包括电池组充电电流是否超出限值、电池组放电电流是否超出限值、电池组电压是否超出正常工作范围、单体电池电压是否超出正常工作范围、单体电池温度是否超出正常工作范围；

（4）当上述五个判断条件均未超出时，MCU判断电池组工作正常，同时控制充电接触器和放电接触器闭合，重复（2）-（4）循环；

（5）当电池组充电电流超出限值时，MCU判断电池组工作异常，同时控制充电接触器断开；当电池组放电电流超出限值时，MCU判断电池组工作异常，同时控制放电接触器断开；当主控单元采集的电池组电压数据和通过从控单元上传电池电压数据计算得到的电池组电压数据均超出正常工作范围时，MCU判断电池组工作异常，欠压状态控制放电接触器断开，过压状态控制充电接触器断开；当单体电池电压超出正常工作范围，MCU判断电池组工作异常，欠压状态控制放电接触器断开，过压状态控制充电接触器断开；当单体电池温度超出正常工作范围，MCU判断电池组工作异常，同时控制充电接触器和放电接触器断开。上述故障状态下均有声光报警。

4 试验验证

为了验证所设计的后备锂电池组主从式被动均衡系统的有效性，搭建了由16个12V/50Ah磷酸铁锂电池模块（每个模块含4节串联单体电池）串联组成的电池组均衡试验平台，主要参数如表1所示：

表1 电池组均衡系统主要参数

以0.12C电流对电池组进行浮充，其中1个电池模块均衡试验结果如图6所示。

图6 电池组均衡试验结果

单体电池在出厂时经过化成和分选工序，能够保证较好的静态和动态初始一致性。在对电池组进行恒压限流浮充时，当模块内单体电池电压值超过3.38 V，单体电池间压差大于20 mV时，均衡电路正常开启。浮充过程持续至93 min时，1号单体电池电压率先达到3.60 V，主控单元控制充电接触器断开，电池组停止充电，此时2号单体电池电压为3.58 V，3号单体电池电压为3.58 V，4号单体电池电压为3.59 V，均衡过程模块内单体电池间压差始终保持在20 mV以内，均衡效果良好。

5 结论

本文针对长期浮充工况下后备锂电池组均衡需求，基于主从式均衡控制架构，采用以单体电池电压为均衡变量的被动均衡控制策略，分别设计了从控单元和主控单元结构及其控制流程，构建了完整的电池组均衡控制系统。最后，在搭建的电池组均衡试验平台上进行了验证，试验结果表明均衡控制有效，均衡系统能够满足电池组安全可靠运行要求。

[1] 严宗鑫. 通信用磷酸铁锂后备电池系统搭建及电池失效机制[D]. 哈尔滨工业大学硕士学位论文. 2013.

[2] 陈立剑. 锂电池组串联均衡系统研究[J]. 船电技术, 2013, 33(4): 54-57.

[3] 王立强, 王玮, 王占国, 等. 轨道交通用钛酸锂电池不一致性研究[J]. 电源技术, 2017, 41(2): 195-197.

[4] 蔡鸿武, 黄鹏, 陈立剑. 大容量电池组串联充电均衡控制方法研究[J]. 船电技术, 2009, 29(9): 51-54.

[5] 谢冬雪, 唐祯安, 蔡泓, 等. 基于STM32和LTC6804的电池管理系统设计[J]. 仪表技术与传感器, 2018, 10: 63-67.

Design of the Passive Equilibrium System for Back-up Lithium Batteries

Yuan Yang1, Cai Jiuqing2, Wang Wentao2, Wu Fang2

(1. Naval Representative Office of Huludao, Huludao 125004, Liaoning, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM911

A

1003-4862（2019）12-0055-03

2019-04-17

袁阳（1984-），男，工程师，研究方向：船舶电力系统。E-mail: syqn81192@qq.com