基于主动均衡策略的电动汽车用锂电池管理系统设计研究＊

王灿烨 刘庚辛 王鑫泉 符兴锋

（1.华南理工大学，广州 510640；2.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

1 前言

动力电池是电动汽车重要的能量存储装置和动力来源，直接影响整车的安全性[1-2]。为满足电动汽车工作时的大电流和高电压等需求，锂电池单体需要通过串、并联的方式以多种组合形式形成合适的电池模组。受工业生产和工艺水平的限制，动力电池存在细微的不一致性，而外界环境变化引起的电池内阻、容量的变化会加剧这种不一致性，导致电池负载能力和使用能力的进一步下降[3-4]。为了提高电池单体的一致性，提高电池能量利用率，必须对电池单体间的不一致性进行均衡管理。动力电池不一致性的均衡管理一般由动力电池管理系统（Battery Management System，BMS）进行。BMS的均衡管理功能可避免动力电池单体长时间存在较大的温差造成电池一致性的恶化，从而改善动力电池系统的性能，延长电池的使用寿命[1-2]。

动力电池的均衡管理是动力电池系统设计研究的重要内容之一。近年来，国内外学者提出了多种主动均衡的方式。根据电池单体能量的转移方式可分为电感式、电容式、变压器式和其他开关电路拓扑的方式[5-7]。发达国家对电池管理系统的研究起步较早，德国已经有比较成熟的BMS；国内已有公司研发了带有“主动均衡、无线传输”核心功能的BMS产品，较为显著地解决了锂离子动力电池组不一致性的问题[4]。

本文基于主动均衡策略，在采用变压器进行能量转移的主动均衡方案和控制方案的基础上，根据锂离子的特点和工作要求，设定均衡电路性能指标，完成均衡电路的仿真分析，并根据仿真结果搭建试验平台进行试验，验证了该主动均衡方案的可行性。

2 动力电池均衡管理系统基本类型

动力电池均衡管理系统的均衡方式主要为主动均衡和被动均衡[8]。被动均衡的工作特点是以电阻放电的方式，消耗高电能电池的电能。主动均衡的工作特点是通过主动控制实现能量从高能量水平的电池转移到低能量水平的电池[9-11]。其优点是没有电能的损耗与浪费，电能转移过程不产生多余的热量，有利于温度的均衡性。其缺点是均衡电路设计较为复杂，实现困难，成本远高于被动均衡。

主动均衡如能解决上述问题，将是一种均衡效果更优的电池均衡方式。本文重点研究动力电池的主动均衡系统，其均衡方法主要有：

a.由变压器构成的均衡方法。其原理是变压器的副边与各电池相连，原边与需均衡的电池单体相连，通过控制原边的通断将需要均衡的电池单体的能量转移到原边，由于变压器的特性，副边绕组也会产生能量，并传递到其他电池单体。该方法通过改变变压器的匝数比可以调整均衡速率，能量转移速度较快，性价比高，但在能量转移过程中，变压器等器件的发热会造成能量的散失。

b.由电容构成的均衡方法。通常将电容并联在电池单体上，通过控制电容与电池之间的通断控制电池能量的转移。这种方法结构简单，易于实施，均衡过程可控，但是能量转移速率受电容容量限制，且电容与电池的并联方式决定了主动均衡的效率。

c.由电感构成的均衡方法。系统组成与电容构成的均衡方法基本相同，常见的是将电感并联在电池单体上实现能量的转移，其能量转移速度也较慢。

对于主动均衡来说，目前研究的难点有[12-13]：提高数据采集精度、改善电池剩余电量算法、以低成本实现可靠、快速的电量均衡。

3 动力电池主动均衡电路仿真

设计电池模组主动均衡电路后，利用MATLAB/Simulink对均衡电路进行建模与仿真分析。利用Simulink搭建均衡电路，并查看均衡电路工作后2个电池的电压变化情况，从而判断均衡效果。

图1所示为均衡电路仿真模型，其中，R3为副边电路等效电阻，电阻R2=10 kΩ、电容C2=1 pF及二极管Ds组成副边电压关断缓冲电路，限制副边的漏极在开关断开之后产生高电压，R1=0.5 Ω为电路等效电阻，Mosfet为开关，并联C1=100 nF为Mosfet等效结电容，脉冲发生器负责提供跃迁信号。二极管的PN结之间存在电容，可通过交流电，由于结电容通常很小，当二极管PN结之间的交流电频率较低时，PN结只允许单向电流通过，当PN结上的交流电频率较高时，允许交流电通过。

图1 单体电池均衡电路仿真模型

通过主动控制反激式DC/DC转换器的通断，在不停地闭合和断开开关的过程中，电池1放电，变压线圈原边电动势升高，经过放大，副边电动势超过电池2并对其充电。其中，变压线圈原边与副边匝数比为1∶4，脉冲开关的周期为20 ns，脉冲宽度为50%。

电池管理系统软件以CodeWarrior for HCS12 V5.1为开发环境，采用C语言编写，包括控制模块与采集模块。

如图2所示，主控系统初始化时，同时初始化LTC6804-1芯片，使其进入待命状态。系统初始化成功后，程序进入主循环，根据定时器产生的时序，顺序执行A/D转换，每10 ms获取一次电压数据，主控芯片进行数据处理，并根据处理结果判断是否超出预设门槛，进而判断是否执行断开电池输出、启动主动均衡等功能，所采集的数据通过CAN总线发送到上位机，方便使用者实时查看数据并获取电池系统的工作状态。

3.1 主控模块

电池管理系统启动后，首先进行主控模块的初始化，对一些重要的参数进行赋值，使用SPI总线通过SPI通信方式初始化从控模块LTC6804-1，直到LTC6804-1进入Stand By状态后，进入主循环。

在主循环中，通过SPI通信的方式，主控模块接收LTC6804-1反馈的电池单体信息，完成电压和温度采样、SOC估算、数据处理、故障诊断以及CAN通讯等功能。

图2 BMS控制时序

初始化LTC6804-1流程：

a.发送1个虚字节，CSB和SCK上的动作唤醒LTC6804-1上的串行接口。

b.等待20 ms以完成LCT6804-1器件上电。

c.发送第2个虚字节。

d.等待5 ms。

e.发送命令。

3.2 从控模块

在从控模块中，上电后完成系统初始化，根据主控模块指令实现电压采集、电量均衡等功能。电压的采集采用高精度的浮地网络测量技术，结合高速光电耦合继电器阵列，以扫描的方式实现硬件的分时复用，测量得到的电池电压值送入高速16位A/D转换芯片LTC6804-1中滤波处理，转换结果通过CAN总线发出。

3.3 SOC估算

本文设计的BMS对电池组的评估方法采用目前较多使用的开路电压估算法，即根据电池电量与电压的关系，通过电池单体电压使用公式修正后运算得到电池单体的电量：

式中，U为电池单体电压。

3.4 电池温度信号处理

为了准确地反映电池组的温度分布情况，同时结合电池包设计过程中温度的分布情况，温度采集芯片设计有12个传感器接口，可以满足绝大部分电池包温度采集需求。由于温度变化速度较慢，因此选用NTC热敏电阻传感器，将热敏电阻组成一个电桥，测量的温度信号送入单片机自带的12位高精度A/D转换器中处理。

为了更加准确地获得NTC热敏电阻阻值与温度的关系，对各温度下NTC电阻的温度与电阻进行测量并拟合，得到温度为：

式中，R为NTC热敏电阻阻值。

利用某温度下的电阻对式（1）进行验证，结果表明，二者相差不超过1%。

4 BMS硬件设计

BMS需要对电池模组的各单体电池信息进行采集与管理，当电池单体的数目增多时，如果采用集成化模块设计，便对主控芯片的性能提出了更高的要求。本系统采用可拓扑式设计，根据电池单体的数目可增加采集芯片的数量，主控与从控芯片通过CAN进行通讯，完成信息的采集与控制策略的执行。

4.1 温度信息采集模块

BMS需要实时检测电池单体温度，对于对温度比较敏感的锂电池，应该尽可能采集更多的数据，同时，必须具有高的精确度。由此，选用Freescale 9S12系列的XS128作为处理器，该处理器具有8位、10位、12位可编程A/D转换模块，硬件电路如图3所示。

图3 温度采集电路原理

通过12位分辨率的A/D转换器采集NTC热敏电阻的电压，电容起到硬件滤波作用，减少高频信号对采集信号的干扰。该电路硬件容易实现且采集精度满足电池状态检测的需要。采用高精度NTC热敏电阻可以提高采集数据的准确性。

根据NTC热敏电阻的阻值随着温度升高而降低的特性，A/D采集口可以得到NTC热敏电阻的电位，根据电位可以换算出NTC热敏电阻的阻值：

式中，VA/D为热敏电阻电压。

得到电阻数据后，查表换算得到温度。

4.2 电池单体电压采集模块

根据外围设备的要求，电池单体通过不同的串、并联方式组合成不同电池模组，最高电压可达100 V以上。为了准确获得数量众多的电池单体电压，采用LTC6804-1芯片进行采集。

LTC6804-1芯片为多节电池的电池组监视器，最多可测量12个串接电池的电压并具有低于1.2 mV的总测量误差。监测12个以上的电池单体时，可将LTC6804-1串联。硬件电路如图4所示。

图4 电池单体电压采集电路

LTC6804-1通过SPI串行接口与主控芯片通讯。SPI是一种高速、全双工同步通信总线，且芯片管脚只占用4根线。Freescale XS128芯片用同一个SPI总线接口实现与主控芯片的通信。

4.3 主控模块设计

BMS需通过一个主控芯片接收外设采集到的数据，执行计算、控制与决策等功能，实现对电池系统的控制。NXP公司的XS128芯片作为一款汽车级芯片，较工业级芯片具有更大的工作温度范围与更好的抗干扰性，适合在汽车等比较恶劣的工况下运行，同时可靠性也大大提高。

主控芯片通过SCK、MOSI、MISO、CSB等4个管脚与LTC6804-1进行通信，大幅节省了管脚数量，实现了对电池电压信息的实时高速采集，如图5所示。

4.4 电源模块设计

为了适应汽车上的使用要求，BMS从控单元拥有12 V直流电转5 V直流电的供电电路。电路提供足够稳定的5 V直流电压，纹波小，可以满足主控芯片等器件的使用需求。

图6所示为BMS供电电路，其中，12 V输入端装有1 A电流保险丝，防止电流过大造成芯片损坏。电路采用TLE4270芯片转换电压。为了进一步减少纹波电压，该芯片输入端与输出端均采用了100 pF、100 nF、47μF的电容旁路。

图5 BMS主控电路

图6 BMS电源电路

4.5 CAN通信模块设计

为了实现BMS与整车控制器等设备的通信交流，本系统采用了图7所示的CAN总线通信系统。CAN电路通过TJA1050芯片实现信息传输，其TXD口直接与主控芯片的CAN_TXD的IO口相连，RXD口与CAN_RXD口相连，通过对主控芯片的编程可以简便地实现BMS与整车其他电子设备的通信。

图7 CAN总线模块

4.6 主动均衡模块设计

当电池系统中的电池单体电量差达到一定程度时，便需要开启主动均衡功能。本系统采用LT8584芯片与小型变压线圈对电池实行电量主动均衡。

如图8所示，LT8584的OUT、Din管脚可以与LT6804-1的C、S系列的管脚无缝连接。当电池模组中某一单体电压过高时，通过控制LT8584的SW管脚的通断，可以使该电池对线圈原边产生脉冲电压。该电压经过变压器副边放大后接到整个电池模组的正、负极，电量将会通过变压线圈施加到整个电池模组中，对其充电，从而实现可编程式的主动均衡控制策略。

图8 BMS主动均衡电路

5 BMS试验结果

设计完成后的BMS主动均衡系统的PCB原理图和实物分别如图9、图10所示。

图9 BMS主动均衡系统PCB图

图10 BMS主动均衡系统实物

图11所示为主动均衡模块开启情况下仿真试验得到的电池电压变化曲线。两个电池单体的初始电压分别为3.9 V与3.75V，主动均衡模块开启后，高电压电池单体对低电压电池单体进行充电，最终两个电池单体的电压趋近于相同，达到主动均衡效果。

图11 电池单体电压变化曲线

利用设计的动力电池主动均衡系统对存在电池单体不一致性的电池组进行充、放电试验，通过调整电阻的阻值，改变电池组的放电电流，将数据导出并绘出随机抽取的2个电池单体放电温度曲线，如图12、图13所示。

图12 电池单体小电流放电温升曲线

图13 电池单体大电流放电温升曲线

由图12可知，电池组在进行小电流放电时，电池单体温度没有明显的变化，在持续的245（采样间隔10 s）次采样中，均维持32℃的温度不变。而由图13可知，电池组进行大电流放电时，电池1与电池2出现了温度差异，两者温度均有上升，在241次（采样间隔10 s）采样过程中，温度上升约为1℃。

对电池组进行放电，同时主控模块开启主动均衡功能，对存在压差的2个电池单体进行电量主动均衡，将数据导出并绘出如图14所示的电池均衡电压曲线。

从图14可以看出，电量不同的电池单体在放电过程中，主控模块开启主动均衡功能后，电量多的电池单体通过变压线圈将电量转移到线圈副边，线圈副边对整个电池模组进行充电。电池1的电量逐渐下降，电压曲线随着均衡的过程逐渐贴合，电压差非常小。

图14 电池单体主动均衡电压变化曲线

试验结果论证了Simulink建模仿真的结果，BMS通过主动均衡的方式，在高精度采集模块的辅助下，实现了电池能量的转移。该主动均衡策略可以同时对多个电量高的电池单体进行放电转移，可以有效、快捷地进行电量均衡。同时，通过可编程式的均衡电量阈值判断，可以修改实行主动均衡的电压差，从而更加智能地对电池电量进行管理。

6 结论

本文针对BMS中的主动均衡系统进行了研究，设计了动力电池系统的主动均衡系统仿真模型，并设计了实物进行试验验证，仿真和试验结果表明，本文设计的动力电池主动均衡系统具有良好的均衡效果，能够在动力电池的充、放电过程中实时进行均衡控制，但该均衡系统的能量转移效率和系统的稳定性有待进一步提高。

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