5kW鋰電池模組BMS的研究與開發

甘屹　陳成　曾樂才

摘 要： 設計了以MSP430為控制核心的用于5 kW鋰電池管理系統（BMS）.建立了關于電池荷電狀態的模型，在實際估計中，采用開路電壓和按時積分相結合的方法且有較高的精度；采取電池均衡充電的方案，補償了電池容量的差異性，進而使得電池組的使用壽命延長.電池荷電狀態估算的改進方案解決了按時計量法無法確定初始荷電狀態、難以精準測得庫侖效率等問題，確保了電池管理系統處于穩定工作狀態.該系統具有抗干擾能力極強、硬件電路可靠、且十分經濟的特點.經過實驗驗證，利用該系統進行SOC剩余容量估計的結果較為精確.

關鍵詞： 鋰電池； 電池管理系統（BMS）； 電池荷電狀態（SOC）估計； 均衡管理； MSP 430

中圖分類號： TK 51； TP 27 文獻標志碼： A

Research and development of a battery management system for

a 5 kW lithium battery unit

GAN Yi1， CHEN Cheng1， ZENG Lecai2

（1.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093； 2.Shanghai Electic Group， Shanghai 200070， China）

Abstract： A battery management system（BMS） for 5 kW lithium battery with the microcontroller MSP430 was designed.Its state of charge model was established.The combination of amperetime integral and open circuit voltage was adopted with high precision.A new equalization method was designed to compensate the unbalance between batteries，which could lengthen the battery life.This improved state of charge estimation algorithm could resolve the problems including initial state of charge determination，accurate measurement of efficiency，and so on.And thus the BMS functioned stably.The system had the advantages of reliable circuit，economy，and antijamming.The remaining capacity estimation was accurate by using this system in the practical operations.

Keywords： lithium battery； battery management system； state of charge estimation； equalizing management； MSP 430

近年來，鋰離子電池產量快速發展，應用領域不斷擴大，然而，它對電壓、溫度和電流要求極其嚴格，稍有不慎就有可能導致電池受到損傷、報廢，乃至燃燒或爆炸.因此，鋰電池管理系統應具有的功能有：數據采集、電池荷電狀態估計（電氣控制、充電與放電的控制）、均衡充電、熱量約束、使用安全和數據通訊等功能，由此保障電池的續航時間，使電池的使用壽命得到延長，并使電池的充電效率有效提升.德國Hauck設計的BATTMAN電池管理系統中將全部不同型號動力型電池組的管理做成一個系統，通過改動硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數等方法，實現對不同型號電池組的管理.美國通用汽車公司生產的EV1電池管理系統可監測單電池電壓，對電池組電流進行分流采樣，保護電池組高壓（保險絲），對熱敏電阻的溫度采樣，憑借電池組的平均特性控制充電、過度放電預警并降低電動汽車行駛功能與作用，電量計算等[1].

在設計鋰電池模組管理系統時，仍然存在一些問題：一方面，必須精確估計電池荷電狀態，從電池能力的充分發揮和安全性的提高這兩個方面實現電池高效管理；另一方面，電池模組需要達到較高的電壓系統，且在使用過程中表現出的高度非線性，極大地增加了精確估計電池荷電狀態的難度.因此，要保證鋰電池模組控制系統與總控制系統的通訊性能，并保證電池模組能夠實現自身控制管理.根據鋰電池儲能系統對其模組通訊性能、自身控制管理功能以及對系統安全性的影響等要求，本文采用低功耗的MSP430型單片機作為主控芯片設計了一種5 kW鋰電池模組.

1 硬件系統設計

1.1 硬件系統總體框架

5 kW鋰電池模組中的單體電池有10～20塊，需要對其進行溫度、電壓、電流等數據的采集.電池管理系統（BMS）包含主控單元、信號采集與單體電池均衡單元、充放電控制單元、通訊單元等四個部分.5 kW電池模組BMS總體框圖如圖1所示.

主控單元與信號采集單元通訊采用串行外設接口SPI通訊方式，與主控系統以控制器局域網CAN總線的方式進行通訊.信號采集與單體電池均衡集中在一個模塊中完成.

1.2 硬件模塊設計

1.2.1 主控單元模塊

5 kW鋰電池模組的主控單元需要完成對電池組的通斷、電池模組與儲能設備通訊等功能，且需要具有較強的數據處理能力.為滿足本文中按時計量法和開路電壓法綜合均衡控制算法、荷電狀態估計和總線串口通訊等功能，并考慮能耗等成本問題，本文采用64引腳的MSP430芯片作為核心控制芯片.該芯片內部集成2路通訊電路，既可通過選

圖1 5 kW電池模組BMS總體框圖

Fig.1 Module block diagram of 5 kW battery BMS

擇進行UART0、UART1異步通訊，又可進行SPI1、SPI2同步通訊.MSP430通過UART0部分接口與總控制系統進行CAN總線通訊，模組主控單元與系統總控制單元需要配備相應的通訊隔離電路完成CAN總線通訊.

MSP430型單片機有3套時鐘單元，可根據需求提供400 k～12 MHz的時鐘頻率，以方便采集板數據采集與內部數據處理協同進行.主控單元與電壓溫度采集模塊以SPI通訊模式進行數據交換，電流直接由主控模塊從外部電池組通過傳感、放大等電路以A/D轉換的方式采集.同時為防止受掉電、故障等突發事件的影響，主控單元在檢測故障發生的瞬間采用兩線式串行總線I2C的通訊方式將數據導入儲存芯片EPPROM中，以AT24C512C

SSHD為EPPROM寫入芯片.在設備恢復時，重新將數據導出，防止發生故障時數據丟失.

1.2.2 電壓、溫度采集模塊

電壓、溫度采集模塊需要實現高精度、高效率的采集，因此采用具有32路信號采集端的bq76PL536A芯片[2].bq76PL536A是一種可堆棧3～6節串聯鋰離子電池組的保護器和模擬前端，它在很大程度上歸并了高精度模數轉化器，電池電壓和保護溫度的功能突出，電池平衡技術和給用戶電路供電的高精度5 V穩壓器，無需在集成電路之間使用隔離組件，就可監控192個電池單元.bq76PL536A集結了高精度模數轉換器系統和電壓轉換，可極其精確、迅速地測出電池的單元電壓.bq76PL536A可以對過壓、欠壓和過溫狀況提供周到保護， 超過安全閾值時，可以建立故障輸出，無需外部組件就可以設置和運行保護功能.

本文采用4片bq76PL536A芯片堆疊構成采集模塊，實現高精度、高效率的電壓、溫度采集.該模塊可方便地進行多路電壓、溫度的并行采集.采用高速串行外設接口串口通訊4線模式建立bq76PL536A與主控單元MSP430單片機的通訊，MSP430通過高速串行外設接口總線在4片bq76PL536A切換實現采集電池電壓、溫度信號，主控單元只需4路接口便可完成主控單元與采集模塊的信息傳遞.這種結構既保證了對外豐富的信息采集接口輸入，又節省了主控單元接口資源.

采集模塊通過在bq76PL536A電壓采集端口加入穩壓二極管、電容與MOS（金屬氧化物半導體）管構成的電壓調理電路實現了單體電池的均衡.當單體電池之間壓差超過一定值，MOS管導通，高電壓單體電池對電容進行充電，電壓下降，MOS管壓差減小后關閉，使得單體電池之間能夠均衡.

1.2.3 電源模塊設計

5 kW電池模組可提供40～90 V的供電電壓，而BMS管理模塊中主控單元核心控制芯片工作電壓要求為3.3 V，電壓采集板bq76PL536A芯片的工作電壓要求為5 V，管理模組對應的外設工作電壓基本要求在3～5 V.本文首先采LM5008A

DGK_8芯片設計電壓轉化電路，將電池提供的電壓轉換并且穩定在10 V，然后采用2TLV70450

DBV_5芯片將10 V電壓分別轉換為5、3.3 V，為控制板各個模塊工作提供穩定的電源，保證主控板的正常工作.

1.2.4 均衡充電模塊

均衡充電模塊可改善和解決蓄電池容量的不均衡問題.電池端電壓的不均衡直接體現了電池容量的不均衡.如今國內外采取的方案主要是電阻方案、電容均衡方案以及獨立充電方案[3].電容均衡充電方案控制簡單，能量損失小，故本文采用此方案.電容均衡充電模塊原理如圖2所示，圖中：S1、S2、S3、S4均為操縱開關；B1、B2、B3、B4均為電池.該方案運用電容將多余電荷存儲以便轉移，操縱開關閉合，將鋰電池模組中容量較高的單體電池中的多余能量儲存至電容中，再通過電容傳輸至容量較低的單體電池中.由操縱開關S1、S2閉合電池B2，將具有較高容量的B2電池中的多余電荷傳輸到電容中，然后操縱開關S1、S2連接電池B1，將電容中存儲的電荷轉移到較低容量的電池B1中，最終達到電池組的均衡.

圖2 電容均衡充電模塊原理

Fig.2 Schematic diagram of the equalizing

charge module

2 軟件設計

5 kW電池模組BMS主控模塊的主要任務為：完成采集板與總系統控制模塊之間的通訊，電池充放電切換功能實現，電池荷電狀態估計、數據處理，實現電池均衡和熱管理，數據寫入.為了增加程序的可維護性，方便今后的擴展和程序移植，采用C語言編寫.采用模塊化設計思路，軟件設計流程如圖3所示.

圖3 軟件設計流程

Fig.3 Flow chart of software design

2.1 電池荷電狀態系統軟件設計

常用的電池荷電狀態估計方法有[4-5]電流積分法、電池內阻法、開路電壓法和端電壓、端電流綜合法.本文從電路集成度、所選擇的微控制單元和實現算法的難易程度等實際情況出發，經實驗，以按時計量法和開路電壓法為基礎，補償了每個影響要素，選取了一個綜合方案對電量進行估計.

電池荷電狀態系統軟件流程如圖4所示.本文采用按時計量法和開路電壓法進行電池荷電狀態估計.

圖4 SOC系統軟件流程

Fig.4 Flow chart of SOC system software

其實現過程為：首先，在采集板上傳的電池電壓數據中得到最小值作為開路電壓估計的依據，因為電壓最小的電池決定了整個電池組的容量；另外，對由主控板收集的電流數據作積分，可得出電池荷電狀態

SOC=SOC0-1Cn∫t0ηIdt

（1）

式中：Cn為電池額定容量；I為電池電流；η為充放電效率；t為時間；SOC0為初始電池荷電狀態.

該方法的難點在于精確確定SOC0.本文采取極端狀況以確定初次使用時SOC，也就是將整個電池組充電直到充電終止電壓或放電直到放電終止電壓的極端狀況，設SOC為1或0.系統在第二次及之后上電時，管理系統將記錄電池模組靜置時長.若靜置時長超過理論要求時長，將采用開路電壓法，精確測出單體電池端壓，獲得實際的SOC.并且，管理系統會將斷電時的SOC存進系統當作修正SOC的參考，即關機時開路電壓（OCV）穩定，可反映此刻電池的SOC，于是可利用OCV校正初始SOC；若OCV不穩定，無法由此精確校正電池的SOC時，則繼續采用前一次關機時刻得到的SOC當作此時初始SOC.

在電池組工作過程中估計電池荷電狀態時難以避免地將出現諸多誤差，而當誤差累積到某一程度時，就需要對電池荷電狀態進行初始化.初始值可由充放電期間的極端狀況確定.除此之外，在電池荷電狀態估計中，要充分考慮溫度、壽命等因素電池荷電狀態的影響，進而增加校正因子校正SOC.

2.2 單片機CAN總線的通訊

本文CAN總線的軟件設計可分為三個板塊：CAN總線初始化、接收和發送數據、CAN總線檢錯機制.因此選用SJA 1000作為CAN總線接口電路的重要組成[6]，SJA 1000需在硬件復位上電的同時進行初始化系統軟件，使其數據通訊可順利進行.初始化主要步驟為SJA 1000在復位模式時調整總線配置寄存器，調整總線速率、驅動輸出引腳模式、總線模式時鐘分頻.本文的總線設計中，主控板、采集板以及CAN數據發送均采取查詢模式，數據接收則采取中斷模式.

本文CAN總線中，SJA 1000工作于BasicCAN模式，包括溢出數據中斷、過失中斷等五種中斷方式，其中溢出數據中斷和過失中斷可用于檢錯機制，通過中斷處理CAN總線錯誤.

3 實驗結果及分析

在硬件設計與軟件設計的基礎上，對系統功能進行初步調試.采取電容均衡方式進行均衡，以充電均衡為例進行說明.充電均衡策略為：充電時，當電池電壓達到設定電壓（2.4 V）后，且當電池組單體電池之間的壓差超過設定值（30 mV）時，開啟均衡功能，對電壓最高的電池實行放電；當電池組單體電池之間的壓差小于10 mV時，停止均衡，形成一個遲滯回環.為了快速驗證均衡功能，選用了一塊微短路電池進行實驗.該電池的狀態為充放電均極快，充電時上升至2.6 V的用時為正常電池的50%，而放電時電壓下降速率為正常電池的2倍.將其與編號為B1～B5及 B7～B10等九個單體鋰離子電池串聯進行充放電均衡實驗.電池端電壓均衡前、后的比較如表1所示，表中B6為微短路電池.

實驗數據表明，B6均衡前電壓遠高于其它電池，B3、B9的均衡前電壓略高于設定值，開啟均衡后其電池電壓很快下降到平均值，并且在充電過程中，其它電池電壓均有所增加；均衡后每個電池的電壓趨近相等，滿足設計要求.

4 結 論

本文對大功率電池組管理系統工作原理進行了詳細介紹.根據其原理，闡述了采用價格低廉、低功耗的MSP430型單片機設計一款5 kW鋰電池模組BMS的設計思想與實現途徑.通過實際運行比較，配備有基于MSP430單片機設計的鋰電池模組BMS完成了模塊中單體電池電壓、電流的采集，電池荷電狀態估計，單體電池的均衡和主控系統的通訊，自身充放電開啟和關閉等功能，實現了高精度、高穩定性的大功率鋰電池模組的管理.

參考文獻：

[1] 安志勝，孫志毅，何秋生.車用鋰離子電池管理系統綜述[J].電源技術，2013，37（6）：1069-1071.

[2] 李峰，張一鳴，陳賀娜.基于BQ76PL536的均衡系統設計[J].電源技術，2012，36（5）：671-673.

[3] 沈俊.智能手機快速充電淺析[D].上海：上海交通大學，2013.

[4] VACHKOV G，BYTTNER S，SVENSSON M.Detection of deviation in performance of battery cells by data compression and similarity analysis[J].International Journal of Intelligent Systems，2014，29（3）：207-222.

[5] HOCKERSMITH E，BROOKS G，Dumdei N，et al.A lightweight battery for backpack electrofishing[J].North American Journal of Fisheries Management，2013，33（2）：87-91.

[6] 宋杰.基于SJA 1000的CAN總線智能節點的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2011.