磷酸鐵鋰電池組三級管理系統的開發與應用

劉學鵬， 郝曉紅， 張東升

(1.中山職業技術學院機械工程系，廣東中山528404；2.華南理工大學機械工程學院，廣東廣州510641；3.成都電子科技大學機電學院，四川成都611731；4.西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049)

磷酸鐵鋰電池組三級管理系統的開發與應用

劉學鵬1,2， 郝曉紅3， 張東升4

(1.中山職業技術學院機械工程系，廣東中山528404；2.華南理工大學機械工程學院，廣東廣州510641；3.成都電子科技大學機電學院，四川成都611731；4.西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049)

以驅動汽車的磷酸鐵鋰電池作為研究對象，對磷酸鐵鋰電池組的模擬數據偵測處理、三段式硬件平衡電路、多芯電池組的SOC凸優化算法、動態平衡，故障診斷、系統間通信進行討論，每段電路采用菊花鏈通信，級聯方式進行電池管理拓展。通過底層采集數據，中間層處理數據，用戶層負責顯示狀態故障等，建立三級管理系統。

三級管理系統；三段式硬件平衡電路；SOC；磷酸鐵鋰電池；凸優化

我國大城市的大氣污染已不能忽視，燃油汽車排放是主要污染源之一。電動汽車廢氣排出比燃油汽車減少92%～98%。電力可以從多種一次能源中獲得。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發電設備日夜都能充分利用，大大提高其經濟效益。電動汽車將會慢慢成為汽車發展的一種趨勢和必然。

作為可充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染[1-3]。

LiCoO2電池充電容差值只有0.1 V，而LiFePO4的充電容差值達到0.7 V，LiFePO4過充發熱值為90 J/g，LiCoO2過充發熱值為1 600 J/g，LiFePO4無電路板保護的最大值達到30 V，LiFePO4電池與鉛酸電池一致，但同時沒有鉛酸電池的污染性。

采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池特別在大放電率放電(5～10放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動力電池。

鋰離子電池組在應用過程中往往需要串并聯連接，多個單體電池組成的電池組如果沒有管理系統的精確控制，則存在著安全性和性能快速下降的風險。本文從實現平衡控制、故障診斷、電池組自動級聯、磷酸鐵鋰電池組SOC模型以及與之相匹配的參數識別算法、硬件拓撲電路著手，建立三級管理系統平臺，為電池的管理提供一整套方案和產品。

1 三級管理系統

本文以驅動汽車的磷酸鐵鋰電池作為研究對象，開展針對磷酸鐵鋰電池組的模擬數據偵測處理、硬件拓撲電路和多芯電池組的參數識別、動態平衡，故障診斷、系統間通信和系統應用軟件平臺的研究，建立三級管理系統。

電動汽車磷酸鐵鋰電池組三級管理系統方法，包括三級管理系統模塊、電池組三段硬件拓撲模塊(首段電路，中間段電路和尾端電路模塊)、數字信號處理模塊、SOC技術模塊、平衡電流判定模塊、模擬層數據采集模塊。

三級管理系統模塊如圖1，包括：底層的管理是直接面向電池組，各種參數的精度決定著上層控制的效果，精度控制、硬件管理、電池組識別、通訊方式是這一層的主要內容；在中間層中，主要的作用是向上下級傳遞信息、數字信號處理、底層模擬數據在本層中進行轉換，同時進行必要的補充算法，得到實時數據后，中間層處理任務較多，包括SOC算法、平衡算法、電池狀態管理；在最上層的用戶層中，狀態和故障顯示是其主要功能，具體包括每個電池組下單芯體電壓、溫度、故障狀態等實時顯示，同時與汽車行車電腦進行連接。

圖1 三級管理系統模塊

2 電池組三段硬件拓撲模塊

首段電路模塊負責6-12電池管理，主要處理6-12電池，首段電路與中間段之間采用菊花鏈的通訊。圖2是具體電路，其中B0-12為電池組接入端，VC為電池電壓測試點，CB0-12電池充放電均衡點，Q1-12為MOS管充放電開關，當檢測到某個電池組充放電結束時，MOS管自動開關從而過渡到相鄰的電池組。

圖2 首段電路

中間電路模塊主要的作用是向上下段傳遞信息，通信規格采用菊花鏈。DAIZY UP組負責與尾端電路模塊通信，傳遞溫度和控制信號；DAIZY DN組負責與首段電路進行電路通信，傳遞各種檢測參數。COM組主要負責通信波特率和通道選擇。EXTIN1-4組負責采集各種溫度值，中間模塊可以添加任意個，構成級聯模式。

尾端電路模塊主要負責下位機與微機的信號傳遞，具體信號包括每個電池組下單芯體電壓、溫度、故障狀態等，其中通信規格采用菊花鏈。DAIZY UP組負責與尾端電路模塊通信。SCLK、C S 、DIN、DOUT、EN、D ATREADY、 F AULT端口組成微機接口組，COM組主要負責通信波特率和通道選擇，EXTIN1-4組負責采集各種溫度值。

3 SOC模塊與平衡技術

電池管理中一個重要內容是對電池組及單體電池的運行狀態進行動態監控，精確測量電池的荷電狀態SOC(state of charge)。由于電池組工作方式的特殊性，電池組荷電狀態SOC的測定很困難。本文采用圖3所示的模塊進行分析：首先從實驗中提取數據，充放電設備驗證電池的一致性，采用WDCF-3800蓄電池充放電綜合測試儀進行測試，不同電壓、電流和溫度下SOC值不同，充放電周期也對SOC產生影響，平衡處理發生在充電80%處，充電平衡時間發生在80%×2.5=2 h處，容量為10 Ah，每個周期的平衡糾錯處理為0.05 Ah，平衡電流為25 mA。經過幾個周期后兩個電池達到平衡。

圖3 SOC模塊與平衡技術流程圖

內阻法、積分法分析實驗數據得到實測SOC曲線，理論方程采用非線性模型進行迭代輸出SOC，最后進行修正。

式中：f[SOC(k)]為電池SOC的函數；d(k)、t(k)為充放電系數、溫度系數。± V為充放電的參數，加號為充電情況，減號為放電情況。采用前饋神經網絡凸優化算法進行參數識別。算法輸入量為SOC，I；輸出量為v、d、R、。

凸優化算法：含有一個隱層的前饋網絡的運行方式可以表示如下:

懲罰項為：

三層前饋網絡的隱層輸出公式：

式中：μ為學習率；γ()為隱層輸出。平衡硬件電路利用上面的三段式結構，參考SOC、溫度、電流、電阻等參數，完成電池組的三級均衡系統技術。

4 實驗

不同溫度下的電池電壓值如圖4所示，充放電的電壓差值基本穩定在30 mV。圖5表明電池單體的差異在20 mV左右，很好地解決了電池均衡性問題。

圖4 不同溫度下電壓值

圖5 相比第3節的其他電池電壓

5 結論

開展針對磷酸鐵鋰電池組的模擬數據偵測處理、硬件拓撲電路、多芯電池組的參數識別、動態平衡、故障診斷、系統間通信、系統應用平臺的研究，建立三級管理系統，實驗結果表明在SOC算法、平衡算法、電池狀態管理方面具有很好的性能，與汽車行車電腦進行連接可以構成智能控制系統。

[1]田美娥.輕型汽車技術[J].電動汽車發展趨勢，2010(11):255-256.

[2]王軍平，陳全世，曹秉剛，等.電動車用鎳氫電池模塊的充放電模型研究[J].西安：西安交通大學學報，2006，40(1):50-52.

[3]吳鐵洲.HEV鋰離子電池組管理關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學，2010:8.

Research on LiFePO4battery 3-class management system for electric vehicle

The 3-class of LiFePO4battery for electric vehicle was studied.The simulated data was detected and processed.The 3-section hardware circuit was proposed to balance charging and discharging.The daisy chain was utilized to each communication and cascade connection was used to extend the battery group. The SOC was estimated and corrected by convex optimization.The data was collected from the lower class,processed by the middle class,and monitors condition was displayed through Interface class,then 3-class management system was built.

3-class management system;the 3-section hardware circuit;SOC;LiFePO4;convex optimization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2108-02

2015-03-13

國家自然科學基金項目(51075321；61106107)

劉學鵬(1975—)，男，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向為機電一體化。