鋰電池SOC均衡控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u23874鋰電池SOC均衡控制系統(tǒng)設計 1298134.1硬件設計 1205854.1.1主控板電路設計 2134004.1.2均衡模塊電路設計 8194164.2軟件設計 9315784.2.1主程序設計 928144.2.2均衡子程序設計 10166484.3仿真驗證 10291154.3.1驗證平臺搭建 1087314.3.2驗證結果與分析 114.1硬件設計均衡系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于對電池運行過程中的各個參數(shù)進行實時采集，包括電池組的電流，單體的電壓、溫度等，當今電子電力的快速發(fā)展出現(xiàn)了很多多功能集成的IC芯片和高精度的傳感器，配合相應的外圍電路可以滿足信號采集的需求。本文設計的主動均衡系統(tǒng)集電池組參數(shù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、數(shù)據(jù)通訊等功能于一體，相當于一個小型的電池管理系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)具有良好的擴展性，減少均衡模塊高頻電流產生的電磁干擾對信號采集精度的影響，采用“主-從”式分布架構，主控板包含主控單元和前端芯片，前端芯片可實時采集電池組及單體的狀態(tài)參數(shù)，主控單元進行數(shù)據(jù)處理并利用串口與上位機進行數(shù)據(jù)交換。均衡系統(tǒng)的整體方案如圖4.1所示。圖4.1均衡系統(tǒng)整體方案4.1.1主控板電路設計（1）主控芯片MC9S12XDP512微處理器運算速度快，總線頻率高，內置512KB閃存，32KB的RAM。與HS12系列相比，增加了172條操作指令，性能有了很大的提升。另外還具有一個協(xié)處理器XGATE，頻率高達100MHz，可實現(xiàn)中斷、通信等的預處理，以及多任務并行處理。其主要功能框圖如圖4.2所示，根據(jù)主動均衡系統(tǒng)的功能需求，電流、溫度等模擬信號經過A/D接口，轉化為數(shù)字量，控制或驅動信號則由PWM模塊或I/O輸出，經過專門IC隔離放大后驅動均衡電路。圖4.2MC9S12XDP512功能框圖主控芯片正常運行所必備的基本外圍電路稱為最小系統(tǒng)，MC9S12XDP512的最小系統(tǒng)包括電源電路、復位電路、晶振電路和BDM調試接口電路。本文使用一個12V的直流電源模擬車載供電，而主控芯片供電電壓為5V，因此使用TLE4275芯片進行電壓轉換，該芯片可穩(wěn)定輸出5V電壓，精度達2%，具備異常情況下的關斷保護功能，TLE4275外圍電路如圖4.3所示，發(fā)光二極管用于標識系統(tǒng)通電與否，濾波電容用于穩(wěn)定輸出電壓。圖4.3電源電路（2）前端芯片圖4.4AD7280A功能框圖AD7280A是ADI公司開發(fā)的一款疊層鋰離子電池通用監(jiān)控芯片，單片AD7280A即可完成4~6節(jié)電池的監(jiān)控管理，其內部的高壓輸入多路復用器主要用于測量鋰電池單元的電壓，而輔助ADC輸入通道可用來測量溫度。AD7280A可選擇經過2次、4次或8次電壓測量值或輔助通道測量值的均值輸出，均值轉換結果存儲寄存器輸入引腳同樣可接受六節(jié)電池，具備動態(tài)提醒功能。主芯片通過SPI與AD7280A主器件通信，各AD7280A通過菊花鏈連接。AD7280A的內部結構與主要功能如圖4.4所示，AD7280A電壓采樣外圍電路如圖4.5所示。相鄰的兩個VINX引腳之間連接保險絲、0.1μF電容以及10KΩ電阻，0.1μF電容與10KΩ電阻構成低通濾波器，截止頻率為80Hz，用來濾除高頻干擾，保險絲和10KΩ電阻用于保護AD7280A，防止電壓、電流過大損壞芯片。默認采用400ns采集時間，此時采集和轉換的總時間為1us。圖4.5電壓采樣外圍電路AD7280A利用低壓輔助ADC通道AUX1至AUX6進行溫度釆樣，外圍電路圖如圖4.6所示。在電池上表面貼上熱敏電阻，其阻值會隨著溫度的升高而降低，相應地A/D采樣得到地電壓會發(fā)生變化，進而換算得到對應地溫度。相關關系式如（4-1）~（4-3）所示。RTVADCRx其中，B為材料常數(shù)，RN與RT分別代表常溫及溫度為T時的熱敏電阻值，VAUXx表示采樣電壓數(shù)字量，圖4.6溫度采樣電路（3）電流采集電路目前應用較多的電流測量傳感器有兩種，一種是利用串聯(lián)分流電阻進行電流的測量，另一種是基于霍爾電磁感應原理進行電流的測量，參數(shù)對比如表4-1所示。分流電阻多采用錳銅合金材料，溫漂系數(shù)小，成本低廉且檢測精度很高，缺點是直接串于高壓回路，沒有隔離，電阻兩端的壓降很小，對電壓檢測的精度要求很高。而霍爾式電流傳感器與高壓回路隔離，測量范圍廣，響應速度快，但是精度較低，高精度的霍爾電流傳感器成本比較高昂。表4-1霍爾電流傳感器與分流電阻對比類型型號阻值精度額定輸出額定電流溫飄工作溫度分流電阻CSLB1000.5mΩ0.1%50mV100A5ppm-55~125℃霍爾效應CHB-125P--0.6%125mA125A100ppm-25~85℃考慮到試制所用電池最大持續(xù)放電電流的限制，本文選擇基于霍爾效應的線性電流傳感器ACS712ELCTR-20A-T作為電流檢測芯片，其電流檢測范圍為±20A，靈敏度γ為100mV/A，輸出誤差1.5%，幾乎不受溫度影響。電路圖如圖4.7所示，電流由1、2端輸入，3、4端輸出，VOUTVOUT圖4.7ACS712外圍電路ACS712出廠前已經進行過高精度的校準，為了確保測量準確，使用前再次對其進行標定，在標定過程中在-20~+20A之間，每隔2A來對電池組進行充（放）電，實驗數(shù)據(jù)如表4-3所示，對實驗電流與采集電壓進行曲線擬合，結果如圖4.8所示，即可得到ACS712輸入電流與輸出電壓的對應關系如式(4-5)所示：VOUT表4-3標定電流及ACS712輸出電壓標定電流/A輸出電壓/V標定電流/A輸出電壓/V-200.520802.5150-180.659600.7208-160.937442.9272-141.074162.1288-121.304383.3076-101.5024103.5055-81.7061123.7178-61.9078143.8437-42.1045164.1709-22.3204184.3111標定電流(A)圖4.8電流標定擬合曲線（4）隔離前端芯片AD7280A工作在模擬高壓端，而主控芯片工作在數(shù)字低壓端，并且很多采樣線要拉到遠端電池，浪涌電流可能會通過這些導線進入主電路，從而損壞低壓控制電路，不能及時控制外設動作，因此在底端AD7280A主器件使用SPI接口與主控芯片通信及控制報警的CS、SCLK、SDI、SDO、CNVST、PD和ALERT等信號需要進行高壓電流隔離，以便保護低壓控制端。本文的隔離電路如圖4.9所示。圖4.9隔離電路原理圖（5）通信前端模擬芯片AD7280A通過SPI與主控芯片通信，主控芯片與上位機采用SCI串口通訊。SPI（SerialPeripheralInterface）是串行外設接口的縮寫，具有高速、同步、全雙工的特點，它可以使外圍設備與MCU之間通過串行通信達到交換信息的目的，且只占用4個芯片引腳，既節(jié)省資源，也方便PCB布局布線，如圖4.10所示。圖4.10SPI通訊原理圖SCI串口通訊，硬件接口簡單，只需RXD、TXD兩根數(shù)據(jù)線，外加一根GND地線就可工作，數(shù)據(jù)發(fā)送端和接受端都有緩沖寄存器，只要發(fā)送端連接到接收端就可以開始工作，程序簡單，調試方便。單片機與PC計算機由于供電差異，SCI通信時需進行電平轉換，普遍采用MAX232電平轉換芯片，依照RS232接口電氣標準實現(xiàn)電平轉換，外圍電路圖如圖4.11所示。圖4.11串口外圍電路

4.1.2均衡模塊電路設計（1）驅動電路MOSFET是電壓型控制器件，其柵-源之間有輸入電容，在快速PWM控制時要求有充電尖峰電流和放電尖峰電流使極間電容快速充放電，加速開關過程，因此無法直接與單片機控制端口連接，通常要使用專門的驅動電路進行驅動，此外由于均衡主電路電壓均為高電壓、大電流情況，而控制單元為低電壓、弱電流，所以必須進行隔離，既可保護弱電控制電路，又能提高系統(tǒng)抗干擾能力。本文設計最高控制頻率為14KHz，綜合考慮采用光耦隔離驅動芯片TLP250，其主要性能參數(shù)如表4-4所示。表4-4TLP250性能參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值電源電流11mA（最大）電源電壓10~35V輸出電流±2.0A開關轉換時間0.5uS隔離電壓2500Vrms完整的驅動電路如圖4.12所示，PWM控制信號由2號管腳輸入，3號管腳接地，限流電阻取470Ω，在VCC與GND之間接一個0.1uF的陶瓷電容，其作用是使TLP250內部的高增益放大器工作穩(wěn)定。TLP250的供電電壓范圍為+10V~35V，因此采用汽車常用供電電壓+12V進行供電。圖4.12TLP250外圍電路（2）均衡電路基于Cuk與反激DC/DC變換器的復合均衡電路如圖4.13所示，各元件參數(shù)與本文第三章設計參數(shù)保持一致。場效應管的G-S極間的電阻值是很大的，這樣只要有少量的靜電就能使G-S極間的等效電容兩端產生很高的電壓，MOS管在開關狀態(tài)工作時，柵極在反復充、放電狀態(tài)，如果在此時關閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)：一種是放電狀態(tài)，柵極等效電容沒有電荷存儲；另一個是充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充滿狀態(tài)。圖4.13均衡電路原理圖4.2軟件設計4.2.1主程序設計主程序用于協(xié)調各個模塊子程序的運行，各個子程序相對獨立又相互聯(lián)系，采用模塊化的程序設計方案可以使程序簡明易讀，方便調試和修改，便于移植。主程序設計流程圖如圖4.14所示。首先要進行系統(tǒng)初始化，包括主控芯片與前端芯片初始化，之后主程序提取前端芯片采集的數(shù)據(jù)估算SOC，均衡控制模塊判斷電池不均衡狀態(tài)，若需要均衡，則查詢得到優(yōu)化后的均衡電流，主程序則使能PWM模塊，調節(jié)相應開關的控制頻率，使均衡電路產生對應的均衡電流，隨后循環(huán)執(zhí)行，直至達到均衡閾值。圖4.14主程序4.2.2均衡子程序設計依據(jù)前文所述的控制策略，均衡子程序根據(jù)電池的兩種狀態(tài)分別進行不同的處理方式。當系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，程序首先獲取到所有的單體電壓，然后計算電壓均值。當平均電壓高于4.1V，說明電池組總體上接近充滿狀態(tài)，只需要按照均衡電壓容差執(zhí)行均衡；當平均電壓低于4.1V，而部分單體電壓高于4.1V時，為了抑制高電壓單體的電壓增加速度，只對高于4.1V的單體進行放電，并同時對電壓低于均衡容差下限的單體進行充電；當電池組中所有單體都低于4.1V時，對所有端電壓高于均值10mV的單體放電均衡，對所有端電壓低于10mV的單體充電均衡，本文將這種控制方式稱為“均值容差均衡”。充電過程中均衡子程序流程圖如圖4.15所示。圖4.15充電均衡子程序流程圖當系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，均衡首要目標是迅速使電池組達到均衡狀態(tài)，直接進行端電壓均值容差均衡。4.3仿真驗證4.3.1驗證平臺搭建基于前文設計的主動均衡分布式硬件系統(tǒng)方案，采用PADSLayout分別對主控板與均衡板PCB進行設計，打板試制后搭建的主動均衡系統(tǒng)驗證平臺主要由以下部分構成：6單體串聯(lián)電池組、充放電測試一體機、主動均衡系統(tǒng)主控板與均衡板、PC端labview上位機、萬用表、示波器等設備。圖4.16主動均衡系統(tǒng)測試驗證平臺充放電設備采用新威爾公司生產的BTS-60V40A電池測試一體機，在主動均衡過程中，其電流正負引出接口與電池組總正總負相連，用來實現(xiàn)充放電工況。主控板通過電池端接口、熱敏電阻接頭、PWM輸出接頭、SCI接口分別與電池組、均衡板、上位機相連，均衡板通過PWM輸入接頭、電池端接口分別與主控板和電池組連接。示波器與萬用表用來對重要信號進行檢測，方便硬件電路的調試。通過上述設備搭建起來的實驗臺架可以完成串聯(lián)電池組充放電的全過程監(jiān)測控制，驗證本文設計的主動均衡系統(tǒng)對減小電池組中各單體電池不一致性的效果。4.3.2驗證結果與分析控制策略部分對電池組充電和空閑狀態(tài)分別做了不同的處理，對兩種情況分別進行均衡實驗。（1）充電均衡實驗首先用電子負載將不同單體進行不同程度地放電，然后靜止2小時，此時各單體電壓基本穩(wěn)定，測量不同單體電壓，電壓分布如表4-5所示。充電均衡過程中的各單體電壓變化趨勢如圖4.17所示。表4-5充電均衡前各單體電壓值單體編號12