基于單片機的鋰電池組主動均衡設計

廣東金華達電子有限公司 金 龍 陳 煒 葉寶圖

0 引言

因單體電池內部特性及生產工藝的影響，單體電池之間無法完全做到一致，導致鋰電池組在多次循環使用后，內部單體電池出現不同程度的電壓差異。目前鋰電池組對于過充過放的保護依據是單體電池的電壓，根據木桶效應和電池特性，鋰電池組的實際使用容量會越來越小，導致鋰電池組續航時間越來越短，實際使用壽命比標稱壽命大打折扣，造成較差的用戶體驗效果。為此，我們設計了一款主動均衡的鋰電池智能管理模塊，從而抑制鋰電池組內部單體電池的電壓差異擴大，并對其進行均衡管理，使單體電池間差異縮短。相較與傳統的電阻耗散方式的被動均衡，主動均衡為能量轉移式，能耗低，使鋰電池組能量利用率高；并且主動均衡電流大，均衡能力強，均衡時間較被動均衡有明顯的縮短，效率高,可大大提升電池組的使用壽命和用戶的體驗效果。

1 設計方案

通過電壓測量及電流測量模塊采集鋰電池組工作狀態，根據當前狀態下最高最低電壓的單體電池的差值與定值進行比較，同時結合當前鋰電池組的充放電狀態來控制均衡模塊動作，每次動作都對最低電壓的單體電池進行均衡充電，多次均衡后使鋰電池組內部單體電池壓差控制在設計值范圍內。

1.1 硬件設計

本鋰電池智能管理模塊使用東軟載波的單片機HR8P506，此MCU是一款基于32位高性能的ARM Cortex-M0內核，最高運行時鐘達到48MHz，且片內集成有12位ADC模塊、串口通訊模塊、時鐘模塊等常用模塊，可以滿足本系統的性能指標要求。

本模塊硬件包含：電源模塊、電壓測量模塊、電流測量模塊、溫度測量模塊、MOS管控制模塊、主動均衡模塊、通訊模塊等。其中電壓、電流和溫度測量模塊所得數據將為其它模塊提供數據支撐。圖1是本模塊的方案系統結構。

圖1 方案系統結構

1.2 電壓、電流測量

采樣的精度及準確度決定了控制系統的策略和均衡調整效果。為保證每個單體電池電壓的精度，同時受限于MCU采樣端口數量的限制，我們采用繼電器陣列方式，即每次通過繼電器只選中鋰電池包中某個單體電池進行AD轉換采集數據。本系統所使用的MCU內部集成12位ADC模塊，采樣0～5V電壓其精度可以達到2mV，足以滿足鋰電池的安全運行。

為使主動均衡具有更好的均衡效果，我們需要知道當前鋰電池組的工作狀態及對應的電流大小，以實時調整均衡策略，提高均衡效率及最大限度縮小單體電池的壓差值。電流測量為取樣電阻與運放相結合方式，由于電池工作狀態下不僅有放電狀態還有充電狀態，兩者采集的電信號極性相反，若不對信號作處理，則運放無法處理反相性號，采集的充電狀態信號的數據勢必會“截斷”。故我們對采集的信號在輸入運放前，需要對信號進行抬升，使其基電壓不為零，MCU系統使用的電壓等級為+5V，故我們需要抬升+2.5V電壓，使充放電信號各占一半，確保信號能采集的情況下最大限度提升采集準確度。圖2為電壓測量設計方案，圖3為電流測量設計電路圖。

圖2 電壓測量設計方案

圖3 電流測量設計電路

1.3 主動均衡模塊

由DC-DC模塊、繼電器陣列及驅動部分組成，其中DC-DC模塊取電為整個鋰電池包電壓，輸出電壓為6V，最大電流為3A。從均衡效率及安全性考慮，每次只能并且只允許選擇一個單體電池進行均衡，防止多通道同時打開，可能出現導致電池短路等嚴重事故的發生。為保證模塊長時間運行的安全可靠性，在DC-DC的輸入輸出部分均加入了保護元器件，如保險絲，熱敏電阻等，可防止回路短路的現象，保障鋰電池組的安全。

圖4 主動均衡框圖

1.4 軟件設計

本設計采用C語言、模塊化方式進行程序編寫，利于后期硬件升級及程序維護。程序主要分為四部分：初始化、采樣處理、保護動作、均衡控制，其中初始化包含MCU的配置、變量的初始值、外圍電路的驅動配置。如圖5程序主流程。

圖5 程序主流程

單體電池最高電壓與最低電壓差值大于等于設置的定值參數時，就啟動均衡控制，對當前最低電壓的單體電池進行均衡，并結合當前鋰電池組的工作狀態調整均衡目標電壓值，當均衡達到目標值時就暫停均衡，重新判斷當前差值是否達到啟動均衡的條件，如果是則繼續選擇最低電壓的單體電池進行均衡，否則停止均衡，關閉均衡電路減少模塊自身功耗，完成本次均衡控制任務。

圖6 均衡流程

2 實驗結果

本實驗采用廣東金華達新能源技術有限公司的20AH錳酸鋰電芯，型號為KCC20R。挑選一批同批次、參數一致的單體電池，然后對單體電池進行不同程度的放電，使單體電池之間電壓不一致，人為設置成有差值（最大壓差504mV），再組合成一個16串鋰電池包（型號KWD072020-161A01），并結合本設計方案的智能管理模塊進行模擬電動摩托車充放電實驗（充電電流3A，放電電流20A），表1為本次模擬實驗多次充放電前后數據對比。可以看出，多次充放電后，電池趨于平衡，最大最小壓差在28mV左右。

表1 均衡前后單體電壓比較（mV）

圖7 智能管理模塊實物

3 結論

本文根據鋰電池特性及生產工藝和被動均衡的缺陷，提出主動均衡方式對鋰電池組內部單體電池進行快速均衡，提升電池組的使用壽命和用戶的體驗。

[1]闞宏林,肖亞平．一種多串鋰電組全程主動均衡方法研究與設計[J]．電源技術,2012．36(9)∶1285-1286．

[2]宋海飛,曹亞,王艷．一種新穎的動力電池均衡方法研究[J]．電力電子技術,2013．(3)∶6-7,10．

[3]林佩君．串聯電池組新型均衡充電系統的研究[D]．北京交通大學,2007．