多功能電池管理系統及其使用平臺

林思岐，姜久春，時瑋，張維戈，賈容達

（北京交通大學電氣工程學院，北京100044）

為保證電動汽車電池組動力系統的安全性和可靠性，電池管理系統向著高精度高轉換速度、多測量通路、自帶電池均衡、模塊化等方向發展。然而，很少有文獻介紹測量并聯電池的電池管理系統。本文提出的電池管理系統，不僅具備一般電池管理系統的功能，同時還能夠測量各個并聯電池的支路電流及各電池的SOC。

文章將首先介紹所開發的電池管理，描述其功能，并側重于并聯支路電流的測量。然后介紹該電池管理在并聯電池組特性研究中的作用和性能驗證。最后介紹低成本的電池壽命測試平臺，并驗證該電池管理的可靠性。

1 電池管理基本結構

電池管理系統結構框圖如下圖1所示。電池管理系統主要由CPU、電流單元、電壓單元、溫度單元和通訊單元、片外鐵電存儲器單元、數字量控制單元組成。CPU采用的是Freescale的16位MCU。硬件上各功能模塊與CPU電氣隔離。

1.1 電流單元

所開發的電池管理的特點是可以準確測量并聯電池組里單體電池的支路電流，并計算電池當前的SOC。

在硬件電路上，使用的測試芯片是單相雙向功率/能量集成芯片CS5460，6路并行方式，每路測試通道使用一個CS5460，允許同時測量6個并聯電池的電流。此外，電池管理給定CS5460的電壓輸入為恒定的電壓值，故計算得到的能量值與安時積分容量等價，因此可以測出電池當前的SOC值。

如果采用普通的BMS測量方法（即采用分流器對電流進行采集），電池間連接方式如下圖2。虛線框內的V1為電池1的內電勢，r1為電池1的內阻，整個框代表一個電池；s1為分流器的電阻。從圖中可以看出，引入的分流器會對電流在并聯電池間的分配造成影響，所測量數據不能真實反映并聯電池間電流的分配，引入了額外的影響因素，對研究造成影響。

電池管理系統中用霍爾元件采樣并聯電池的電流?；魻栐恍璐氩⒙撾姵鼗芈分?，僅需將通過電流的導線穿過霍爾元件中心即可，因此可消除引入分流器帶來的影響?？梢杂靡粋€簡單的方法對比不同電流通道間的誤差：將通過同樣電流的導線穿過6個通道對應的霍爾傳感器，比較不同通道的電流測量值。結果驗證，不同通道測出的電流值是一致的，分辨率為0.1 A。同樣，使用這種方法，6個電流通道接入同樣的電流，經過同樣時間的安時積分（如1 h），測量到通道間的安時容量積分誤差在1%以內。

基于霍爾元件的高成本，若將電池管理應用在其他非并聯測試的情況時，可以采用分流器測量。因此，在硬件上，同時引入6路分流器的通道，與6路霍爾元件一起，復用CS5460。硬件上設置了功能選擇開關，可以通過開關決定用霍爾元件或是分流器測量電流及SOC的計算。

1.2 電壓單元

電壓測量通道為6個串行的通道，電壓檢測電路如圖3所示。

B1、B2、B3為所需測量的單體電池；R1～R8為精密的分壓電阻，將電池電壓轉換為AD芯片測量范圍內的值；S1～S3為光繼電器（即光MOS），CPU控制開關間的切換，實現多通道共用AD芯片。注意不允許兩個光MOS同時導通，否則會導致不同電池間的并聯。為了簡便示意，圖中僅給出3通道的檢測電路。

1.3 溫度單元

溫度測量采用的是1-w ire總線通訊的溫度傳感器18B20，最小分辨率是0.062 5℃，溫度測量范圍是－55～+125℃，滿足一般性應用中的測量要求。

溫度單元分為兩部分：一是測量電池的溫度，二是測量電路板的溫度。測量電池的溫度采用一根1-w ire總線上懸掛多個18B20的模式，個數根據要求的溫度采集點個數而定。測量電池管理系統上的溫度用一個18B20，單獨用一根總線，該溫度值用于校正測量電壓值隨電路板環境溫度的變化。

1.4 通訊單元

在電池管理系統中，CAN通訊功能包括：①接收外部寫入的電池實際容量和電池當前SOC值；②對外發送電池電壓、電流、溫度、SOC以及life信號。電池管理通過CAN總線與監控上位機通訊實時通訊，并可將電池數據發送到單體充放電機，用于控制充放電機的運行，具體的應用在本文第6部分中給出。采用CAN2.0B擴展幀的格式，通訊協議為國際公認的J1939標準協議，解決了優先權和共享的問題，且具有靈活性、可擴展性和獨立性[1]。

電池管理系統的RS-232通訊可用于寫入電壓通道的零點和增益、電池實際容量和SOC，用于讀取電池信息。RS232只有在接收到外部設備（如手持設備）的命令時，才會返回數據。

1.5 數字信號單元

數字信號單元包括數字信號的輸入檢測和輸出控制兩部分。

CPU判斷數字輸入的高/低電平，執行對應的命令。如電流單元里，輸入高電平代表采用霍爾傳感器測量電流，輸入低電平代表采用分流器測量電流。CPU的數字信號輸出為一個高/低電平，該信號通過驅動MOSFET，達到對外部器件的控制，如電池過壓、過流等故障信號的報警。電路中保留有額外的2路輸入和2路輸出，以作備用。

2 電池管理軟件結構

電池管理的軟件結構，根據系統整體功能，同時為了增強系統的可靠性和可讀性，整個應用程序采用模塊化和結構化思想。

主程序的整體設計由8部分組成：系統初始化、看門狗、電流處理、電壓處理、溫度處理、數字信號處理、CAN通訊、232通訊。在一個主循環里，依次檢測6個AD是否轉換電流完畢，轉換完畢則進行相關處理；電壓的讀取則是一個循環檢測一個電壓，6個通道輪循。具體的流程如圖4所示。

3 電壓測量電路的校準

3.1 校準原理

電池管理的CPU從AD中所讀出的AD值，需要經過一定換算后才能代表實際電壓值。測量電路的線性度和偏移量決定了測量的準確性。電池管理中采用的校準方法為二次插值法，計算公式：

式中：Actual1和Actual2為兩個實際的電壓值，可通過萬用表測得；AD1和AD2分別是Actual1和Actual2對應的AD值，通過上面的公式可得通道的零點值(Offset)和增益值(Gain)。

由于電壓測量電路中不同通道間分壓電阻以及光MOS的差異，會導致不同通道的零點增益值不同，故所有通道都需要進行校準。

3.2 校準方法

若是將BMS量產化，并按上述原理逐一校正電池管理板的眾多通道，則會耗費大量的人力[2]。因此可以開發一套專門用于BMS電壓校準的電路板，以下簡稱校準板。

校準板輸入兩個標準的電壓源(即Actual1和Actual2)，繼電器序列電路將標準電壓源切換到不同的BMS電壓測量通道，與BMS間為RS-232通訊，電路板上設置有鍵盤及液晶顯示。校準板的結構簡圖如圖5所示。

校準板通過鍵盤輸入實際電壓Actual1和Actual2值，并給出校準開始命令。CPU通過控制繼電器，切換Actual1和Actual2電壓值；通過控制繼電器序列，將電壓V+、V-給BMS的各個電壓通道。校準板以RS-232通訊方式獲得BMS各通道的AD1和AD2值，從而計算出各通道的零點和增益，并通過RS-232通訊將零點增益值返回給BMS。液晶界面顯示鍵盤操作設置以及校準過程和結果。

4 并聯電池組研究中的應用

鋰電池放電時，電池電壓會逐漸降低，當電池到達放電終止電壓，再繼續對電池放電，電池將會受到無法恢復的破壞[3]。對于串聯的電池組，可通過電池間的電壓差異判斷電池的不均衡度。然而這一方法不適用于并聯電池組。并聯電池之間由于電池兩端的電壓保持一致，具有自均衡的能力。這種自均衡能力對電池產生的影響我們卻不清楚。我們從并聯電池的支路電流以及各并聯電池SOC的角度來分析。

所開發的電池管理已經應用于并聯電池性能研究的實驗，實驗中并聯電池支路電流用霍爾傳感器測量。

實驗以磷酸鐵鋰電池為研究對象，進行了不同并聯數量和不同充放電倍率下的實驗。實驗機制包括單體電池的SOC-OCV曲線測試、HPPC法內阻測試、不同倍率下的充放電曲線測試、DST實驗，以及4個并聯電池的不同倍率下充放電過程中的電流分配曲線、2個并聯電池的充放電過程中的電流分配曲線、4個并聯電池DST實驗。由于磷酸鐵鋰電池的電壓平臺區間很大，SOC估算誤差大，實驗中采用文獻[4]中的方法校正。

為了說明電池管理系統的性能，這里給出實驗應用中測試出來的其中一些曲線。為檢測在電流變化速度相對較快的情況下BMS測試的準確度，圖6為電池標準DST工況360 s放電曲線。圖7為4并的DST工況測試曲線，該放電曲線選取在電池SOC中間區域，此時4個并聯的電池間電流基本保持一致，從圖中的240 s附近放大圖可以看出，四個并聯的電池間支路電流相差不到2 A，且電流變化點一致。從這兩個圖的比對中看出，電流的變化點捕捉非常準確，電池管理板中采用霍爾傳感器測量電流能夠精確跟隨設定的曲線。

圖8為4個并聯的LiFePO4電池1 C倍率下不平衡電流曲線，可以看出充電末端不平衡電流比較顯著，4#電池已經達到了1.5 C的充電倍率。我們還進行了1.5 C倍率下的4并充放電實驗，發現即使增大充放電倍率，3#和4#電池的末端電流差異沒有顯著增大，是因為1#和2#的作用，多個電池并聯的自均流特性有助于并聯電池的一致性。

為分析不同數量并聯電池對末端電流不平衡度的影響，我們還做了1 C倍率1#-2#，1#-4#，2#-3#的兩個電池并聯測試。1#-2#和2#-3#并聯的不平衡電流較小，而1#-4#的不平衡電流較大，圖9給出1#-4#電池不平衡電流曲線?？梢钥闯鰣D9中末端電流差異較大，且不平衡度大于4并的圖8所示。驗證了多個電池并聯的自均流特性有助于并聯電池的一致性的結論。

5 壽命測試系統中的應用

目前有很多實驗室對電池壽命進行研究[5-7]，但是電池壽命的研究成本高，如果都采用高精度的電池測試儀，則實驗成本是一個重要制約因素。本文提出的低成本電池壽命測試平臺結構如圖10所示。

系統平臺主要包括：6臺充放電機（PCS）、1臺PC機、6個分流器、6個待測電池、1臺高低溫箱、1個電池管理系統。PCS同一時刻只能給一個電池充放電；電池管理采集電池的外電壓和充放電電流，并通過CAN通訊將檢測數據發送給PC機和PCS；PC機用于記錄實驗數據；電池放置在高低溫箱內，高低溫箱溫度可控。這里不研究并聯的特性，因此電池管理用分流器測量電流。

該壽命測試平臺可用于研究充放電電流、溫度、電池使用SOC區間對電池壽命的影響。平臺的特點在于，使用了六臺低功率單體充放電機（PCS），這些PCS根據電池管理所測數據對電池充放電進行控制，彌補了普通低成本PCS測量不準確、精度不符合電池實驗要求的缺陷。

截至目前該電池壽命測試平臺已經完成了1 C充放電循環400次，2 C充放電循環550次，3 C充放電循環800次，4 C循環850次，5 C循環850次。其中，每50次循環后進行一次基線實驗，方法參見USABC電池測試手冊。電池管理板從投入實驗到現在，未出現任何故障，且能夠穩定運行，驗證了電池管理測試平臺的穩定性。

6 總結

本文介紹了所開發的一套電池管理板，并突出了其并聯電流測量的特點。同時給出了兩個應用該電池測試板的實驗實例——并聯電池特性實驗和電池壽命測試平臺。并聯的實驗中驗證了電池管理板各模塊的功能，特別是霍爾元件測量電流的性能。電池壽命測試平臺上電池管理板的長時間無故障使用，驗證了該電池管理的穩定性。

[1] 鐘勇,鐘志華,余群明.電動汽車CAN總線通用協議的應用研究[J].Automotive Engineering,2006,28(5):421-426.

[2] 朱峰.蓄電池管理系統批量生產用校準系統的研制[D].北京:北京交通大學,2009.

[3] 張賓,郭連兌，崔忠彬，等.電動汽車用動力鋰離子電池的電壓特性[J].電池工業，2009,14(6):398-403.

[4] 時瑋,姜久春,李索宇，等.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究[J].電子測量與儀器學報,2010,24(8):769-774.

[5] DUBARRY M,LIAW B Y.Identify capacity fadingmechanism in a commercial LiFePO4cell[J].Journal of Power Sources,2009,194:541-549.

[6] 孟祥峰.電動汽車動力電池組壽命模型與性能評價研究[D].北京:北京理工大學,2008.

[7] CHRISTOPHERSEN JP,WRIGHT R B,MOTLOCH C G.Power fade and capacity fade resulting from cycle-life testing of advanced technology development program lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2003,119-121:865-869.