鋰離子電池組均衡系統(tǒng)

張春強，馮能蓮，王軍，王小鳳

(安徽農業(yè)大學工學院，安徽合肥　230036)

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鋰離子電池組均衡系統(tǒng)

張春強，馮能蓮*，王軍，王小鳳

(安徽農業(yè)大學工學院，安徽合肥230036)

摘要：為了提高鋰離子電池組的可用容量，降低電池組中單體電池間容量不一致的影響，在專用電池管理芯片BQ76PL536A-Q1和單片機MSP430F5529的基礎上，設計穩(wěn)定運行的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)。利用模塊化思想將鋰離子電池組均衡系統(tǒng)分為采集板和核心板兩大部分。通過實時監(jiān)測鋰離子電池組的放電和均衡過程，對均衡系統(tǒng)的電壓采集精度、電壓監(jiān)測和均衡功能進行驗證。試驗結果表明，鋰離子電池組均衡系統(tǒng)能夠降低電池組中容量不一致的程度，確保電池組穩(wěn)定工作。

關鍵詞：鋰離子電池組；BQ76PL536A-Q1；均衡系統(tǒng)

為提高鋰離子電池的輸出功率，通常采用串聯(lián)電池的方式來提高電壓等級[1]。由于各單體電池在生產(chǎn)過程中內阻、容量等參數(shù)不一致[2]，并且電池組在使用過程中，各個單體電池會發(fā)生一些變化，電池的各參數(shù)也會不一致。電池組內單元的不均衡將帶來如下問題：1)電池組總容量得不到充分利用；2)容易造成電池單元的故障甚至損壞，形成安全隱患；3)需要增加更多的檢測和控制電路[3-4]。為了減小這種不一致性對鋰離子電池組的影響，在電池組的充放電過程中需要增加均衡控制系統(tǒng)。

鋰電池組均衡技術分為能耗型均衡和非能耗型均衡。能耗型均衡主要為電阻放電式均衡，此種均衡結構簡單，控制方便[5-6]。由于非能耗型均衡的電路復雜，實現(xiàn)成本較高[7]，故本系統(tǒng)采用能耗型均衡方案，采用電池管理專用集成芯片BQ76PL536A-Q1，完成串聯(lián)鋰離子電池均衡系統(tǒng)的設計，并進行試驗論證。

1系統(tǒng)方案

BQ76PL536A-Q1是一款可堆疊式3～6節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組保護器和模擬前端(Analog front end,AFE)[8]，包括：高精度模數(shù)轉換器；獨立的電池電壓和溫度保護功能電路；電池電量均衡功能電路。各個電池管理芯片之間、電池管理芯片與控制器之間采用一根高速串行外設接口(SPI)進行可靠的通信。[9-10]

1.1系統(tǒng)結構

圖1　串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)結構圖

串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的結構如圖1所示，由BQ76PL536A-Q1采集板、MSP430F5529核心板和PC機組成。BQ76PL536A-Q1采集板的功能是與每節(jié)鋰離子電池相連、采集電池電壓信息并進行均衡控制。BQ76PL536A-Q1通過垂直堆疊可監(jiān)測192個電池，無需在IC之間布設額外的隔離組件，只需連接多塊采集板就能擴充電池數(shù)量。MSP430F5529核心板的作用是控制采集板并起到PC機與采集板之間的通信媒介作用。PC機通過USB與核心板進行通訊，并將采集到的電池組信息進行顯示。

核心板與采集板相連的各通訊線如表1所示。BQ76PL536A-Q1有3組通訊信號線，每組8根，共24根。一組和控制器進行通訊，一組和位置較低的電池管理芯片進行通訊，最后一組和位置較高的電池管理芯片通訊[11]。

1.2均衡系統(tǒng)電路

每塊BQ76PL536A-Q1芯片可以檢測6塊鋰離子電池的電壓，并對6塊鋰離子電池進行能耗型均衡。圖2為第一節(jié)電池與BQ76PL536A-Q1芯片的連接電路圖。VC0和VC1引腳在串接1 kΩ的電阻后分別與鋰離子電池組中第一節(jié)電池的負極和正極相連。功率MOS管Q1用于導通第一節(jié)鋰離子電池的均衡電路，CB1是第一節(jié)電池的均衡控制引腳，用于控制MOS管的導通與斷開。R4是均衡電阻，假設1#電池的電能較高，則將Q1導通，電阻R4的兩端分別與1#鋰離子電池的正負極導通，從而持續(xù)消耗1#電池的電能，降低1#電池電壓，從而達到均衡的目的。

表1　通訊信號線簡介

圖2　采集板部分電路

2系統(tǒng)軟件方案

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)采用MSP430F5529單片機作為主控芯片，用于向采集板發(fā)送控制命令并讀取采集板采集的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的軟件采用CCS(Code Composer Studio)軟件進行代碼調試并利用專用下載器將程序下載到MSP430F5529核心板中[12]。

串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。當系統(tǒng)上電后對整個系統(tǒng)進行初始化，隨后對連接的各電池進行電壓檢測。根據(jù)檢測到的電壓判斷是否達到均衡門限。若達到均衡門限且不處于均衡狀態(tài)則對采集板的均衡時間和均衡對象進行設置；若未達到均衡門限或者正在均衡則跳轉到檢測電壓的步驟。

3試驗

3.1系統(tǒng)精度試驗

電池電壓是電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)[13]，大部分均衡系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)電池的電壓按一定的算法來判別電池是否需要均衡[14]。所以電池檢測精度對于串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)非常重要。為了驗證均衡系統(tǒng)在常溫下的電壓測量精度，本文以6節(jié)松下額定容量為3 200 mA·h(NCR18650B)的鋰離子電池為測試對象，使用萬用表測量每塊電池的實際電壓，與均衡系統(tǒng)檢測電壓進行比較得出電壓誤差，如表2所示。

由表2可知，在常溫下，本系統(tǒng)的測量誤差為-6～7 mV，誤差較小。由于試驗條件的限制，萬用表檢測位數(shù)只有小數(shù)點后兩位，精度不高，導致檢測電壓與實際電壓的測量誤差與實際誤差相比要大。

3.2電池組放電試驗

在實際使用過程中均衡系統(tǒng)需要對每節(jié)電池的電壓進行實時監(jiān)控[15-16]，通過分析實時電壓才能判斷出需要對哪節(jié)電池進行均衡控制。為了驗證系統(tǒng)的電壓監(jiān)測功能，用6節(jié)松下鋰離子電池NCR18650B串聯(lián)后作為電源向一個型號為57BL55S06-230TF0的電機供電。該電機的額定電壓為24 V，額定電流為3.2 A，在試驗過程中通過增加電機負載來改變電流輸出。在試驗過程中利用串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的電壓監(jiān)測功能對總電壓及各電池的電壓進行實時采樣并記錄，通過MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行處理后繪制電池組的總電壓變化曲線如圖4所示，各節(jié)電池電壓的變化情況如圖5所示，圖6為將圖5在放電結束階段的曲線放大后的情況。

表2　檢測電壓與實際電壓對比

圖4　總電壓變化曲線　　　　　　　圖5　各電池電壓變化曲線　　　　　　圖6　放電結束階段放大圖

由圖4可以看出，試驗過程中4次對電機增加負載，分別是在50、80、160和260 min。放電過程中，當增加電機負載時電池組總電壓會大幅度下降，下降幅度會因為電機負載的增加程度而不同。增加電機負載一方面是為了加快電池電量的消耗，縮短試驗時間；另一方面是為了查看外部負載變化對電池一致性的影響[17]。試驗過程中設置的電池組放電下限是18 V，單節(jié)電池放電下限是3 V，在264 min時達到設置的放電下限，系統(tǒng)發(fā)出警報，停止放電行為。

從圖5、6可見，6節(jié)電池在放電過程中的電壓變化與總電壓的變化相似。在放電過程的前80 min，6節(jié)鋰離子電池的電壓曲線基本重合；放電過程的80～200 min，6節(jié)鋰離子電池之間的電壓差開始變大，但變化程度較?。环烹?00 min以后，6節(jié)鋰離子電池的壓差變化很大，3#、4#、5#電池的電壓差別比較大。

在一致性的量化評價過程中，基于外電壓方式，通常采用電壓標準差和最大壓差衡量一致性[18]。在對放電過程中各時間點的電池間最大壓差與電池電壓標準差進行計算，放電過程中6節(jié)電池間最大壓差的變化曲線如圖7所示。放電過程中6節(jié)電池在各時間點上電壓標準差變化曲線如圖8所示。電壓標準差反映組內所有電池電壓與平均電壓之間的偏離程度，表征電壓分布的分散度和均勻度，電壓標準差越小代表電壓分布越集中，電池一致性就越好。利用電壓標準差來衡量電池外電壓的一致性在理論上具有良好的效果[19]。

圖7　放電過程中電池間的最大電壓差變化曲線　　　　　　　　　圖8　放電過程中電壓標準差變化曲線

圖9　均衡過程各電池電壓變化曲線

由圖7、8可以看出：當電機負載增加時，電池間的最大壓差與標準差都將呈現(xiàn)大幅度的增加。當負載恢復到原值后，電池間的最大壓差與標準差有所下降，但相對于電機負載增加前最大壓差與標準差仍然有小幅度的上升。整個放電過程中電池間最大壓差與標準差的變化趨勢為：忽略由于電機負載增加導致的大幅度變化，隨著電池能量的逐漸放出，電池間的電壓最大壓差與標準差呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。在電池組電壓較低時，最大壓差與標準差的上升尤為明顯。由于最大壓差與標準差可以很好的表示電池間的一致性問題，電池組的一致性在整個放電過程中保持變差的趨勢。

3.3電池均衡試驗

均衡各電池間的能量是串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的核心功能[20-21]，為了驗證系統(tǒng)的均衡功能，進行電池均衡試驗。試驗過程中設置的每次均衡時間為63 min，均衡門限電壓為30 mV。

圖9為均衡過程各電池電壓變化曲線，6節(jié)鋰離子電池中除了4#電池外均參加均衡。在均衡開始時，參加均衡的5節(jié)電池由于接入了均衡電路對電池進行分壓，每節(jié)電池電壓下降10 mV左右。而不參加均衡的4#電池則相反，電壓上升10 mV左右。在均衡結束時，由于切斷了每節(jié)電池的均衡電路，所以參加均衡的電池電壓上升，不參加均衡的電池電壓下降。在整個均衡過程中雖然4#電池并沒有接入均衡電路，但是由于PCB板上電路的消耗導致電池電壓下降0.031 V。

從圖9中可以看出，均衡過程中參加均衡的電池電壓下降過程呈線性，另由表3中列出的參加均衡的5節(jié)電池均衡前后的電壓，可以計算得到6節(jié)電池的平均電壓下降速度為0.05 V/h。在均衡過程中，1#、2#、5#和6#電池的電壓有等于和低于4#電池電壓的情況，原因是在達到設置的63 min均衡時間前不會斷開均衡電路，且達到均衡時間后再檢測各電池電壓仍然大于均衡門限，又開始新一次均衡。從表3中列出的均衡后各電池電壓可以看出，在斷開均衡電路后，各電池電壓仍然大于均衡門限。但是由于試驗時間過長，所以提前結束均衡試驗。

表3　均衡前后各節(jié)電池電壓變化　單位:V

4結論

1)在專用電池管理芯片BQ76PL536A-Q1和MSP430F5529的基礎上，設計并開發(fā)一套串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)。經(jīng)過試驗驗證，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行并能夠對過壓、欠壓和過溫幾類故障做出判斷和報警措施。2)由于串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的各項電化學參數(shù)和工作環(huán)境并不完全一致，在放電過程中將導致各節(jié)電池的容量不一致，并逐漸累積放大，從而降低整個電池組的可用容量，在充電和自放電情況下的原理相同。3)新研發(fā)的串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，能夠有效地降低可用容量較高電池的電壓，從而達到均衡各電池可用容量的目的。

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(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-04-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51075010)；北京市教育委員會重點項目(KZ200910005007)

作者簡介：張春強(1990—)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要研究方向為電動汽車電池管理系統(tǒng)，E-mail：591469226@qq.com. *通訊作者：馮能蓮(1962—)，男，安徽宣城人，教授，碩士生導師，主要研究方向為清潔汽車與智能車輛的研究和開發(fā)，E-mail：fengnl@bjut.edu.cn.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.017

中圖分類號：TM912

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0094-06

Equalization System of Lithium-Ion Battery Series

ZHANGChunqiang,FENGNenglian,WANGJun,WANGXiaofeng

(SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036 ,China)

Abstract:In order to increase the available capacity of the lithium-ion battery series and reduce the impact of capacity inconsistency among single batteries of the battery series, the stable equalization system of lithium-ion battery series is designed based on a special battery management chip BQ76PL536A-Q1 and MSP430F5529 microcontroller. The modular idea is used to divide the equalization system of the lithium-ion battery series into two parts: the collection board and the core board. By the real-time monitoring of the processes of discharge and equalization of the lithium-ion battery series, the voltage acquisition precision, voltage monitoring and balance function of the equalization system are verified. The test results show that the equalization system of the lithium-ion battery series can reduce its capacity inconsistency and ensure the stable operation of the battery series.

Key words:lithium-ion battery series; BQ76PL536A-Q1; equalization system