一种锂电池组核电状态主动均衡系统

王建锋，李 娜，艾 涵

（1.长安大学 道路交通智能检测实验室，陕西 西安 710064；2.陕西省道路交通智能检测与装备工程技术研究中心，陕西 西安 710064）

0 引 言

随着电动汽车的快速发展，作为电动汽车能源核心的动力电池已经成为制约电动汽车发展的瓶颈，由于锂电池具有高密度、高工作电压以及无记忆等优点，逐渐被广泛应用于电动汽车领域。为满足电动汽车使用要求，通常采用多单体电池串并联组成电池组。由于组成电池组的各单体电池存在微小的差异，如活性物质性质以及使用条件等差异导致了电池参数的不一致，严重影响动力电池组的能量效率和使用寿命。为减小电池组中各单体电池之间不一致性带来的不利影响，需要对电池组进行均衡管理。电池均衡主要分为被动均衡和主动均衡，被动均衡为能量耗散性均衡，通过耗能元件将电池内多余能量耗散；主动均衡为能量转移型均衡，通过不同的电流拓扑结构和控制策略，实现不同电池间的能量传递。主动均衡在能量利用率、均衡效率等方面均优于被动均衡。均衡变量的选择直接影响均衡策略，由于电池的荷电状态（State of Charge, SOC）与开路电压具有正相关性，并且能够表征电池内阻和温度等参数，因此采用SOC作为均衡变量较合理。目前在基于SOC的电池主动均衡方面，基于变压器电池均衡系统，在均衡电池数量较少时具有较好的表现，当电池数量增大时，需要使用大量多绕组变压器，增加系统磁化损耗，同时增大系统体积。基于电感的主动均衡系统能量只能在相邻电池单元间快速转移，在不相邻的电池间均衡速度将大大降低。鉴于以上问题，本文开发了一种以SOC为均衡目标，综合变压器和电感的锂电池主动均衡系统，以实现锂电池组主动均衡，该系统具有较高的均衡精度和较好的均衡效率。

1 总体方案设计

本文开发的锂电池组主动均衡系统总体结构如图1所示。系统主要包括MCU（Micro Controller Unit, MCU）主控单元、锂电池组，第一层均衡电路和第二层均衡电路。

图1 系统总体结构

电池组中每3节电池组成一个控制模块，利用第一层均衡电路实现3节电池之间SOC的主动均衡。根据电池的总量规模可以扩展多个电池模块，实现大规模的电池主动均衡，各模块之间利用第二层均衡电路实现不同模块之间的主动均衡。

MCU主控系统通过SPI和IC通信从第一层均衡电路和第二层均衡电路的数据采集模块中获取各单体电池电压、电流和温度等数据，通过SOC估计算法，计算出当前各节单体电池的SOC值，并根据均衡控制策略控制第一层均衡电路和第二层均衡电路，进行电池模块内部和电池模块之间的SOC均衡。

第一层均衡电路包括电池模块内单体电池的电压、电流、温度采集外围电路和以变压器作为能量转移元器件均衡电路，实现对电池模块内各节电池的主动均衡。

第二层均衡电路包括电池模块总电压、电流采集的外围电路和以电感作为能量转移元器件的均衡电路，实现对各电池模块之间的主动均衡功能。

2 硬件设计

本文开发的电池组SOC主动均衡控制系统要能够实时检测单体电池的电压、电流和温度，并按照均衡策略控制第一层和第二层电路，实现以SOC为均衡目标的电池组主动均衡。MCU主控系统在均衡系统中具有管控全局的作用，MCU对各功能模型进行检测、分析和计算，从而控制系统的运行。MCU主控系统需要考虑响应速度、引脚接口数量、计算精度、运行稳定性等因素。因此，本文选用STM32作为MCU主板，其集成多种外围模块，与上位机具有多种通信方式，可扩展模块较多，包含LCD显示屏、蜂鸣器报警装置、蓝牙通信模块和SD数据存储模块等，并且可通过对特定引脚的控制来指定某个模块的开闭，便捷性好、功耗低。

2.1 第一层均衡电路

第一层均衡电路按照变压器的磁化特性，采用分布到集中的能量转移方案，即将SOC高的电池的能量分配给模块中SOC低的电池，使模块中3节电池的SOC趋于一致。检测单体电池的电压、电流和温度，为MCU提供均衡策略的判断依据。本层硬件以LTC6804芯片为核心，设计外围电路、高频稳压电路和温度检测电路，并结合LT8584芯片设计分布到集中式变压器型的均衡电路。LTC6804外围电路如图2所示。

图2 LTC6804的外围电路

C0～C3和S1～S3分别与每节电池所对应均衡控制器的电池电压输出端和均衡控制端相连。C4～C12以及S4～S12悬空。GPIO1～GPIO5为模拟信号的输入和输出端，其中3个通道通过NTC热敏电阻检测电池温度。外围电路采用SPI通信，SCK、SDI、SDO和CSB分别与MCU主板上的SPI模块相连进行数据传输。由于电池模块的电压处于连续变化状态，并且速度极快，故本文采用电池模块作为LTC6804的驱动电源，因此需要对V+和VREG引脚采用稳压设置。V+引脚除通过一个100 kΩ的电阻与电池模块的高电压相连，还连接了一个XL6007高频稳压电路，其电路如图3所示。

图3 XL6007高频稳压电路

XL6007高频稳压电路采用XL6007大功率直流芯片，瞬态反映良好，转换效率良好，工作温度在-40～125 ℃，满足汽车工作环境要求，具有高达400 kHz的开关频率，且其内部提供过压保护。为使LTC6804芯片正常工作，V+端的电压需大于电池组的最高电压值。因此，设定电阻的阻值为10 kΩ，的阻值为1 kΩ。

利用NTC热敏电阻检测电池温度，其检测电路如图4所示。将一个10 kΩ的精密电阻与NTC热敏电阻串联，并将一个100 nF的电容与精密电阻并联起到稳流作用。在温度检测过程中，在精密电阻与热敏电阻串联的电路两端接5 V恒定电压，利用MCU主控单元对精密电阻两端的电压进行采集，计算当前温度下NTC热敏电阻的阻值R，并按照式（1）计算温度值。

图4 温度检测电路模块

式中，T=298.15，为标称电阻值。

第一层主动均衡电路的均衡元器件采用反激式变压器，在均衡过程中需要对变压器两端的开关按照一定的频率进行开闭，使电池能量从高SOC电池转移至低SOC电池。因此，本文以LT8584反激式DC/DC转换芯片作为核心构建均衡电路，均衡电路如图5所示。

图5 LT8584均衡电路

第一层均衡电路设计的开关占空比为20%，开关频率为75 kHz，选择的变压器为NA6252-AL。该变压器尺寸为15.24 mm×12.7 mm×11.43 mm，初级线圈电感为4 μH，匝数比为0.73。

2.2 第二层均衡电路

第二层均衡电路基于电感作为能量转移元器件，将高SOC电池模块中的能量通过电感转移至低SOC电池模块。因此，基于BQ78PL116芯片设计第二层均衡电路，设计的BQ78PL116外围电路如图6所示。

图6 BQ78PL116外围电路

将BQ78PL116芯片的V1～V4引脚作为电池电压检测引脚，其电压检测范围为0～5 V。通过6个阻值为10 kΩ的高精密电阻，使连接至V1和V2的电压为电池模块电压的1/3。SMBC和SMBD引脚分别作为BQ78PL116芯片IC通信的时钟线和数据线，通过ESD保护电路与MCU主板通信。P4N、P4S和P3N作为电感型均衡电路的驱动引脚，可根据设计需要输出PWM控制信号。CSBAT、CCBAT、CCPACK和CSPACK引脚通过对电流感应电阻上的电压进行检测，从而获取流经电池模块的电流。

电感型均衡电路如图7所示。在该电路中，将和电感作为转移电能的元器件，利用UCC27511A栅极驱动芯片为MOS管提供驱动电压，使MOS管能够按照一定的频率进行开启或关闭，在MOS管开启时，电感或得到电能，MOS管关闭时，电感或将对电池模块进行充电，从而将电能从一个电池模块转移到另一个电池模块，实现电池模块间的主动均衡。

图7 电感型均衡电路

电感型均衡电路具体的连接方式：将3个UCC27511A芯片的IN+引脚分别连接到BQ78PL116芯片上的P4N、P4S和P3N引脚，作为UCC27511A芯片的脉冲输入信号，IN-和GND引脚连接电池模块的低电压端，VDD作为UCC27511A芯片的电源引脚与电池模块的高电压端连接，OUTH和OUTL引脚可输出脉冲信号，因此作为MOS管的驱动信号。MOS管选用AO4618P/N型号，将第一个MOS管作为NMOS管使用，第二个MOS管根据输入的脉冲信号在PMOS管和NMOS管间交替变换。为防止MOS管断电瞬间，电感电流击穿MOS管，在电感和上并联一个阻值为2 kΩ的电阻，并将CSBAT和CSPACK、CCBAT和CCPACK引脚连接到电流感应电阻两端，使BQ78PL116能够对均衡电流进行检测。

3 系统软件设计

软件系统主要包括各单体电池电压、电流和温度数据采集及显示，各单体电池SOC的估计、电池的主动均衡策略、电池底层均衡和顶层均衡的实现。系统控制流程如图8所示。

图8 主动均衡控制流程

主动均衡控制系统的工作步骤如下：

（1）系统启动，初始化各类参数；

（2）检测各单体电池的电压、电流和温度；

（3）根据采集的各单体电池的数据，按照估计方法计算各单体电池的SOC值；

（4）根据各单体电池的SOC值及控制指令判断是否进行均衡，如果进行均衡则继续，如果不进行均衡则退出；

（5）MCU主控系统按照均衡策略判断是进行底层均衡还是进行顶层均衡，并向底层电路或顶层电路发送均衡指令；

（6）各均衡电路按照MCU主控系统的指令进行电路均衡操作；

（7）采集均衡过程中电池的电压、电流和温度，并对各节电池SOC值进行更新；

（8）重复步骤（2），直至电池均衡停止或者退出。

4 系统验证

利用所开发的系统进行锂电池主动均衡实验，验证系统性能。本文采用6节单体锂电池串联组成的电池组进行测试，测试系统如图9所示。

图9 主动均衡控制系统

利用初始SOC值不同的电池进行均衡实验，均衡后各单体电池的SOC值可以直接表现出主动均衡系统的性能，因此，为验证均衡系统的性能，分别进行静置均衡和充电均衡实验与分析，为分析方便，对6节电池编号，分别为B1～B6。

4.1 静置均衡

静置均衡是在电池组未接入负载时对电池组进行的均衡，将初始SOC值不同的6节电池进行静置均衡，对比均衡前后各单体电池的SOC值，评价电池组主动均衡的效果。

从图10可以看出，均衡前电池组的平均SOC值为86.5%，SOC值极差为13.5%，标准差为7.8%。静置均衡后，电池组的平均SOC值为86.4%，SOC值极差为0.22%，标准差为0.16%。可见电池组均衡后各单体电池的SOC值趋于一致，说明均衡系统能高效实现电池组SOC的主动均衡。

图10 放电均衡对比

4.2 充电均衡

将初始SOC值不同的6节电池进行恒流充电实验，充电一段时间后得到各单体电池的SOC值，对比均衡前后各单体电池的SOC值，评价均衡效果。各单体电池的初始SOC值和充电均衡后的SOC值对比结果如图11所示。

图11 充电均衡对比

从图11可以看出，均衡前各单体电池的初始SOC具有较大差异，SOC的平均值为63.2%，极差为20.0%，标准差为17.7%。均衡后电池组SOC平均值为83.6%，极差为0.07%，标准差为0.08%。随着充电的进行，均衡后各单体电池的SOC均衡增长，直到电池组各单体电池充满为止。可见本系统在充电均衡中具有较好的可靠性和有效性。

5 结 语

本文开发了一种以电池SOC作为均衡目标的锂电池组主动均衡系统，该系统通过底层均衡电路实现各模块内单体电池之间SOC的均衡，顶层电路实现各模块之间SOC的均衡。通过MCU主控系统，根据均衡控制策略实现电池组的动态主动均衡。该系统能够高效实现电池组的主动均衡控制，为电池管理系统提供了有效的工程应用参考。