基于ARM電池組均衡控制系統算法應用

吳　鐫

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

?

基于ARM電池組均衡控制系統算法應用

吳鐫

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

摘要:為了彌補單體電池因電壓差造成過充過放性能較弱的缺陷，同時為保護電池組，以提高其有限容量利用率，提出并設計了一種優化的基于ARM Cortex-M3電池組均衡控制算法應用系統。以EXP-LM3S811作為開發平臺，實現上、下位機數據通信、荷電狀態(SOC)算法、電池參數及報警功能，采用一種優化的電量復合估算方法，對電池組SOC進行準確計算，并且利用Labview人機界面實時監控電池組工作狀態。通過仿真和實驗證明，該系統提高了均衡控制效率和精度，具有較好的電池利用率。

關鍵詞：均衡控制；SOC；復合估算；電池組

0　引　言

在鋰電池組使用領域, 由于單體電池之間存在電壓、容量、性能等差異,從而導致電池組最終達到的容量較弱，且利用率較低，同時也縮短了電池組使用周期。因此，為了確保電池組能夠最大限度地發揮高效率能量輸出，要對單體電池能量實行均衡控制，從而減小不均衡對鋰離子電池組造成的不良影響[1]，比如，電池變壞、加速老化、整體壽命縮短、阻抗增加等。當前在鋰電池組均衡控制方面還存在不足：第一，控制方法諸多，但控制復雜，設計難度高，成本相對較高，比如耗散型均衡控制。第二，很多在理論上優秀的均衡控制算法，在工程應用領域難以實現，比如神經網絡算法。

為了使鋰電池組能量被高效利用，可以從三個方面考慮；第一，采用高性能的單體鋰電池提高其單個硬件特性；第二，尋求最優且在工程領域易實現的控制策略以提高軟件性能；第三，可對所在電池組均衡控制管理系統參數進行定量誤差分析，結合最優控制算法從而提高均衡控制精度，提高電池組利用效率。如今，隨著微控制器的迅速發展，很多優秀算法實現均衡控制，其優點是功耗小，可以調制均衡電流，但缺點是當單體電池數量較多時，均衡控制效率隨之降低，且功耗和成本較高。文獻[3]和文獻[4]分別使用了開關電阻法和穩壓管法，這兩種方法只能在充電過程中實現均衡控制，并且與buck-boost變換器方法一樣，具有功耗大的缺陷。本文采用一種優化的電量復合估算方法，即綜合開路電壓法與安時累積法設計復合電量估計算法，對電池組SOC實時準確計算，并在均衡時通過繼電器將均衡電容器并聯至單體電池組，從而利用均衡電容實現任意兩個單體電池之間的能量轉移，且保證能量有效流動，該方法硬件電路結構簡單，效能高。

1　系統整體方案設計

為設計一種高效能、相對簡單的電池均衡控制系統，本設計以集散控制(DCS)為基礎，采用上位機和下位機控制方式。其中，上位機實時跟蹤顯示下位機電池組各種狀態量，且可發送控制命令和修改下位機控制參數；下位機實時采集電池組電壓U、電流I、溫度T等數據。

采用的EXP-LM3S811開發平臺最大支持主頻為50 MHz的ARM Cortex-M3內核，集成外設具有4路10位ADC、溫度傳感器、UART、SSI等[5]。其中，通過四路ADC功能進行數據采集，實現電池組數據采集和自動保護控制，溫度控制通過溫度傳感器串口通信。同時采用Labview軟件實現上位機的數據和報警系統顯示界面的設計，實時監控下位機狀態。

圖1為上位機和下位機控制系統結構圖，系統主要包括電壓電流溫度檢測模塊、均衡控制模塊、保護和報警模塊、上位機顯示模塊等。其中，電壓電流數據采集模塊利用EXP-LM3S811開發平臺10位精度A/D轉換的四路數據采集，進行在線測量總電壓和單體電壓，再通過電壓和電流的線性關系得到總電流和單體電流。溫度采集模塊通過溫度傳感器來實現，將采集的實時溫度信號與基于Cortex-M3內核的I/O口相連，從而獲得實時溫度數據。

圖1　上、下位機均衡控制系統結構

2　均衡控制算法

在鋰電池管理系統中，有很多均衡控制算法，諸如開路電壓法、安時積分法、測量內阻法、卡爾濾波算法等[5,6]，各有各的優缺點。使用合適的算法，可以對鋰電池SOC精度精確計算，從而使電池組達到最大利用效率。對于本系統，通過電容器和繼電器并聯在單體電池的方式來達到均衡，采用一種優化的電量復合估算方法，即為綜合開路電壓法與安時累積法設計復合電量估計算法，對電池組SOC實時準確計算[7]。

首先，忽略實驗電路中繼電器間及線纜電阻。以Ca表示均衡電池組等效電容，Ra為均衡電池組等效內阻；Cb為均衡單體電池等效電容，Rb為單體電池等效內阻。繼電器閉合前，Ca和Cb的電壓分別為Ua和Ub, 且Ua>Ub, 則當繼電器閉合后,Ca放電而Cb充電, 通過三要素法可得Ca和Cb的電壓隨時間變化為

(1)

(2)

再通過電壓與電流間的線性關系，得到均衡電池組對均衡單體電池的電流I隨時間的變化關系為

(3)

均衡電池組電壓Ua與均衡單體電壓Ub隨時間變換率為

(4)

(5)

由公式(4)和(5)可知，均衡電池組的內阻不僅影響電池組的充放時間常數， 而且影響電池組電壓變化的初始速度。在整個電池組充電時，均衡電池組還要不斷地與電池組中電壓最高的單體電池并聯，以便使其自身的電量得到補充。本系統再綜合開路電壓法和安時累計法對SOC進行高精度計算。

在開路狀態下，通過開路電壓法測量電池組直流電壓并估算電池剩余容量，從而估計最初剩余電量值，實驗可以得出電池組初始電壓Us與初始SOCs的對應關系。再通過安時累積法對負載電流的積分來估計SOC，建立關系算式(6)：

(6)

式中，η為庫倫效率常量；SOCs為初始荷電狀態；C為電池組最初可用容量。

當電池組處于充電狀態時，為了使均衡電池組在任何時刻都能保持一定的電量，必須設置一定條件去控制繼電器將均衡電池組切換并聯到電池組中電壓最高的單體電池上，滿足這一條件的關系式為：

(7)

(8)

(9)

其中，Uf為充滿電時單體電池組電壓；Upeak為在充電過程中均衡電池組的最高單體電池電壓；Ub為均衡電池組與單體電池間的并聯電壓。ΔU與U′成線性函數關系，從而可使得在充電過程中，均衡電池組既充滿電量又不會有過充現象。

(10)

當電池組處于放電狀態時，首先計算均衡電池組中最高和最低單體電池電壓的平均值，將其與均衡電池組電壓比較，若均衡電池組電壓偏大時，則向單體電池充電，反之，則從電壓高的單體電池吸收電量。

3　仿真實驗研究

本系統選用13節單體鋰電池串聯組成的鋰電池組進行實驗仿真分析研究。選用的鋰電池組參數如下：單體額定電壓3.7 V，額定容量25 Ah，充電電流5 A，充電截止電壓4.2 V，放電截止電壓3 V，放電電流20 A，鋰電池組額定電壓48.1 V。

為達到本系統均衡控制算法實驗效果，在仿真實驗前對各個單體電池進行特殊處理，使得各單體電池SOC不均衡，調整后，分別測得B1～B13的電壓為3.38 V,3.36 V, 3 V, 3.4 V, 3.2 V, 3.35 V, 3.4 V, 3.25 V, 3.3 V, 3.18 V, 3.42 V, 3.15 V, 3.35 V。首先，進入5 A恒流充電狀態，當電池組電壓至54.6 V時，轉為恒壓充電，當充電電流降至0.5 A時停止充電；其次，用500 W 直流電機作為負載進行放電均衡仿真研究。最后，分別對使用復合估計均衡控制算法、未使用復合估計均衡控制算法等狀態下進行仿真實驗對比研究，如圖2和3所示。

圖2 未使用復合估計控制算法

圖3 使用復合估計控制算法

如圖2所示，未使用復合估計均衡控制算法充電時，容量偏小的單體電池較早達到充電截止電壓，其他單體電池也被迫停止充電；放電時，容量偏小的單體電池較快達到放電截止電壓，其他單體電池也被迫停止放電。其充放電過程都造成了電池組容量浪費。而采用復合估計均衡控制算法后，在充放電中，處于不均衡的單體電池在均衡控制算法的調整下，電壓漸漸趨于相同，同時達到充放電截止電壓，電池組容量得到合理利用，效能得到很大的提高。

本系統采用LABVIEW軟件來進行人機界面的數據顯示，LABIEW與下位機的UART進行實時數據通信。同時利用LABVIEW設置報警功能，及時監控用戶電池組的充放電信息。上位機充放電監控顯示界面如圖4所示。

圖4 上位機充放電監控顯示界面

4　結束語

本研究對鋰電池組均衡控制系統實現了一種基于ARM的控制，克服了單體電池因電壓差造成過充過放性能較弱的不足。采用一種優化的電量復合估算方法，通過電容器和繼電器并聯在單體電池的方式來達到均衡，對電池組SOC實時準確計算，并且利用LABVIEW進行上下位機數據實時界面顯示，實現了較好的電池組均衡控制效果，提高了電池組的容量利用率。經過多次仿真和實驗表明，該系統可以滿足實際應用的需要，具體較好的應用前景。

參考文獻：

[1]劉春梅，朱世寧.電池組雙向無損均衡充放電模塊的設計[J].微計算機信息，2006,12(2)：251-253.

[2]程昌銀，王桂棠，賴雄輝.更換模式下的鋰電池組均衡充電[J].通信電源技術，2012,29(3):36-41.

[3]蔚蘭，岳燕，劉啟中.電動汽車蓄電池充放電裝置控制系統設計[J].電力電子技術，2009,(9)：69-71.

[4]師新蕾，姚愛琴，孫運強. 采用USB通信的智能雙鋰電池監測系統[J].電源技術，2011,(9)：94-96.

[5]CHIN S MOO, YAO C HSIEH, IS TSAI. Charge Equalization for Series Connected Batteries[J]. IEEE Trans.Aerospace and electronic systems. 2003, 39(2):704-709.

[6]Kim I S. A technique for estimating the state of heal of hybrid electric vehicle battery[J]. IEEE Trans. Power Electron, 2010,23(4):2027-2034.

[7]李樹靖，林凌，李剛.串聯電池組電池電壓測量方法的研究[J].儀器儀表學報，2003,24(4):212-215.

研制開發

Study of Optimized Equalization Control Algorithm for Batteries Based on ARM Cortex-M3

WU Juan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract:In order to make up for the disadvantages of over-charge, over-discharge and other adverse effects caused by the voltage difference in individual cells of power batteries, and at the same time to protect the battery pack to improve utilization of its limited capacity, an optimized equalization control algorithm for batteries based on ARM Cortex-M3 is proposed in this article. With EXP-LM3S811 as development platform, data communication between up and down computer, SOC algorithm, battery parameters monitoring and alarm are realized. An optimized and accurate compound SOC calculating algorithm is adopted, and LabVIEW software is used to monitor the real-time working state of batteries. Simulation and experimental results show that the system improves the efficiency and precision of batteries, and realizes better utilization of batteries.

Key words:equalization control; SOC; compound estimation; batteries

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0001-03

作者簡介：吳鐫(1990-)，男，安徽人，碩士，研究方向為電池組均衡管理系統。

基金項目：國家自然科學 (61170277), 上海市教委科研創新重點項目(12zz137)，上海市一流學科建設項目(S1201YLXK)，上海市研究生教育創新基金項目(SHGEUSST1301)基金資助項目。

收稿日期：2014-11-10