后備鋰電池組被動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 陽(yáng)，蔡久青，汪文濤，吳 鈁

后備鋰電池組被動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 陽(yáng)1，蔡久青2，汪文濤2，吳 鈁2

(1. 海裝駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧省葫蘆島市 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

后備鋰電池組長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，單體電池特性的不一致會(huì)影響電池組的性能和使用安全。本文針對(duì)后備鋰電池組浮充工況，采用以單體電池電壓為均衡變量的被動(dòng)均衡控制策略，并基于第三代電池組監(jiān)視器芯片LTC6804進(jìn)行主從式被動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)均衡系統(tǒng)的有效性。

鋰電池 被動(dòng) 均衡

0 引言

磷酸鐵鋰電池具有比能量大、使用壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)[1]，適合作為UPS等電源設(shè)備的后備電池使用。后備鋰電池組由多個(gè)鋰電池模塊串聯(lián)組成，鋰電池模塊又由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，在這種成組方式下單體電池特性的差異會(huì)導(dǎo)致電池組不一致的問(wèn)題[2]。后備鋰電池組浮充充電時(shí)采用恒壓限流的方式，在長(zhǎng)期的浮充過(guò)程中電池組內(nèi)的單體電池間的不一致現(xiàn)象進(jìn)一步加劇[3]，最終會(huì)影響電池組的可用容量、使用壽命和使用安全。均衡控制技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池組內(nèi)各單體電池運(yùn)行狀態(tài)，可以有效避免電池的電濫用和熱濫用，是解決不一致問(wèn)題的主要途徑。

目前均衡控制策略主要包括主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡[4]兩大類(lèi)，其中被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。被動(dòng)均衡控制通常以單體電池電壓為均衡變量，通過(guò)均衡電阻對(duì)電壓較高的單體電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)各單體電池浮充過(guò)程的動(dòng)態(tài)一致。

本文設(shè)計(jì)的鋰電池組被動(dòng)均衡系統(tǒng)采用主從式控制架構(gòu)，鋰電池模塊內(nèi)置從控單元對(duì)電池模塊內(nèi)的各單體電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，包括單體電池電壓、溫度等信息采集，充電均衡控制和故障處理。鋰電池組主控單元通過(guò)CAN總線與從控單元進(jìn)行通訊，對(duì)電池模塊運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采集電池組充放電電壓、充放電電流、溫度等信息，進(jìn)行故障報(bào)警和保護(hù)。主從式控制架構(gòu)能夠最大限度的保證電池安全運(yùn)行，同時(shí)延長(zhǎng)電池使用壽命。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

后備鋰電池組主從式被動(dòng)均衡系統(tǒng)由電池模塊、電池模塊從控單元及電池組主控單元構(gòu)成，如圖1所示。鋰電池組包含多個(gè)串聯(lián)的電池模塊，各電池模塊均內(nèi)置1個(gè)從控單元，各電池模塊從控單元通過(guò)CAN總線與電池組主控單元通訊，同時(shí)主控單元通過(guò)CAN總線將電池組狀態(tài)信息上傳至上位機(jī)。從控單元可不依賴(lài)于主控單元，獨(dú)立地對(duì)相應(yīng)電池模塊內(nèi)的單體電池進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制和故障保護(hù)。

圖1 后備鋰電池組被動(dòng)均衡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 從控單元設(shè)計(jì)

電池模塊內(nèi)置從控單元是實(shí)現(xiàn)單體電池間電壓均衡控制的基礎(chǔ)，從控單元由MCU、LTC6804、隔離電源模塊、通信隔離電路、電壓均衡控制電路等構(gòu)成，如圖2所示。LTC6804為凌特公司第三代多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器芯片[5]，通過(guò)該芯片內(nèi)置的16位ADC以及GPIO口可以對(duì)電池模塊內(nèi)單體電池電壓和溫度進(jìn)行高精度采集，同時(shí)通過(guò)其內(nèi)置的上拉PMOS輸出引腳對(duì)外部均衡MOSFET進(jìn)行控制。MCU通過(guò)高速通信隔離電路與電池模塊監(jiān)測(cè)芯片進(jìn)行SPI通訊，讀取LTC6804采集的電池電壓和溫度信息，并對(duì)LTC6804的配置寄存器進(jìn)行賦值以控制其內(nèi)置PMOS的輸出，并將上述信息通過(guò)CAN上傳至主控單元。隔離電源模塊將外部輸入的24V直流輔電轉(zhuǎn)換為MCU和LTC6804所需的供電電壓。

圖2 電池模塊均衡從控單元結(jié)構(gòu)圖

電壓均衡電路采用外部均衡方式，減小LTC6804功耗及發(fā)熱。外部均衡MOSFET和均衡電阻、單體電池串聯(lián)連接，當(dāng)滿(mǎn)足均衡開(kāi)啟條件時(shí)，LTC6804控制其內(nèi)置PMOS的輸出以驅(qū)動(dòng)外部均衡MOSFET，均衡開(kāi)啟后單體電池通過(guò)均衡電阻放電，均衡控制流程如圖3所示。

被動(dòng)均衡控制運(yùn)行流程如下：（1）MCU和LTC6804進(jìn)行上電初始化操作。（2）LTC6804采集各單體電池電壓和溫度數(shù)據(jù)，MCU通過(guò)SPI進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。（3）MCU對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)持續(xù)超出正常測(cè)量范圍時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)異常操作步驟，MCU向主控單元發(fā)出從控故障信號(hào)，同時(shí)通過(guò)SPI向電池模塊監(jiān)測(cè)芯片下發(fā)均衡關(guān)閉信號(hào)，主控單元接收到從控故障信號(hào)進(jìn)行報(bào)警并停止充電；當(dāng)數(shù)據(jù)處于正常測(cè)量范圍時(shí)，進(jìn)行均衡開(kāi)啟條件判斷，判斷條件包括是否處于充電狀態(tài)、單體電壓值是否超出閾值、電壓差值是否超出閾值。（4）當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)判斷條件時(shí)，MCU通過(guò)SPI向電池模塊監(jiān)測(cè)芯片下發(fā)均衡開(kāi)啟信號(hào)；否則，MCU通過(guò)SPI向電池模塊監(jiān)測(cè)芯片下發(fā)均衡關(guān)閉信號(hào)。（5）MCU同時(shí)CAN向主控單元上傳電池狀態(tài)信息，重復(fù)（2）-（5）循環(huán)。

圖3 從控單元被動(dòng)均衡控制流程

3 主控單元設(shè)計(jì)

電池組主控單元是實(shí)現(xiàn)電池組安全運(yùn)行管理的核心，主控單元由MCU、隔離電源模塊、電壓/電流霍爾、充電/放電控制繼電器、熔斷器等構(gòu)成，如圖4所示。電壓霍爾和電流霍爾用于采集電池組電壓和電流。MCU讀取電壓和電流霍爾采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)CAN總線接收從控單元上傳信息，綜合判斷電池組工作狀態(tài)，并對(duì)充電控制繼電器和放電控制繼電器進(jìn)行控制。隔離電源模塊將外部輸入的24 V直流輔電轉(zhuǎn)換為MCU和電壓霍爾、電流霍爾所需的供電電壓。

圖4 電池組主控單元結(jié)構(gòu)圖

圖5 主控單元控制流程

電池組主控單元控制流程如圖5所示，具體步驟如下：

（1）MCU進(jìn)行上電初始化操作；

（2）MCU讀取電壓霍爾和電流霍爾采集電池組電壓和電流數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)CAN總線接收從控單元上傳信息；

（3）MCU對(duì)接收和讀取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合判斷，判斷條件包括電池組充電電流是否超出限值、電池組放電電流是否超出限值、電池組電壓是否超出正常工作范圍、單體電池電壓是否超出正常工作范圍、單體電池溫度是否超出正常工作范圍；

（4）當(dāng)上述五個(gè)判斷條件均未超出時(shí)，MCU判斷電池組工作正常，同時(shí)控制充電接觸器和放電接觸器閉合，重復(fù)（2）-（4）循環(huán)；

（5）當(dāng)電池組充電電流超出限值時(shí)，MCU判斷電池組工作異常，同時(shí)控制充電接觸器斷開(kāi)；當(dāng)電池組放電電流超出限值時(shí)，MCU判斷電池組工作異常，同時(shí)控制放電接觸器斷開(kāi)；當(dāng)主控單元采集的電池組電壓數(shù)據(jù)和通過(guò)從控單元上傳電池電壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到的電池組電壓數(shù)據(jù)均超出正常工作范圍時(shí)，MCU判斷電池組工作異常，欠壓狀態(tài)控制放電接觸器斷開(kāi)，過(guò)壓狀態(tài)控制充電接觸器斷開(kāi)；當(dāng)單體電池電壓超出正常工作范圍，MCU判斷電池組工作異常，欠壓狀態(tài)控制放電接觸器斷開(kāi)，過(guò)壓狀態(tài)控制充電接觸器斷開(kāi)；當(dāng)單體電池溫度超出正常工作范圍，MCU判斷電池組工作異常，同時(shí)控制充電接觸器和放電接觸器斷開(kāi)。上述故障狀態(tài)下均有聲光報(bào)警。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的后備鋰電池組主從式被動(dòng)均衡系統(tǒng)的有效性，搭建了由16個(gè)12V/50Ah磷酸鐵鋰電池模塊（每個(gè)模塊含4節(jié)串聯(lián)單體電池）串聯(lián)組成的電池組均衡試驗(yàn)平臺(tái)，主要參數(shù)如表1所示：

表1 電池組均衡系統(tǒng)主要參數(shù)

以0.12C電流對(duì)電池組進(jìn)行浮充，其中1個(gè)電池模塊均衡試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 電池組均衡試驗(yàn)結(jié)果

單體電池在出廠時(shí)經(jīng)過(guò)化成和分選工序，能夠保證較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)初始一致性。在對(duì)電池組進(jìn)行恒壓限流浮充時(shí)，當(dāng)模塊內(nèi)單體電池電壓值超過(guò)3.38 V，單體電池間壓差大于20 mV時(shí)，均衡電路正常開(kāi)啟。浮充過(guò)程持續(xù)至93 min時(shí)，1號(hào)單體電池電壓率先達(dá)到3.60 V，主控單元控制充電接觸器斷開(kāi)，電池組停止充電，此時(shí)2號(hào)單體電池電壓為3.58 V，3號(hào)單體電池電壓為3.58 V，4號(hào)單體電池電壓為3.59 V，均衡過(guò)程模塊內(nèi)單體電池間壓差始終保持在20 mV以?xún)?nèi)，均衡效果良好。

5 結(jié)論

本文針對(duì)長(zhǎng)期浮充工況下后備鋰電池組均衡需求，基于主從式均衡控制架構(gòu)，采用以單體電池電壓為均衡變量的被動(dòng)均衡控制策略，分別設(shè)計(jì)了從控單元和主控單元結(jié)構(gòu)及其控制流程，構(gòu)建了完整的電池組均衡控制系統(tǒng)。最后，在搭建的電池組均衡試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明均衡控制有效，均衡系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足電池組安全可靠運(yùn)行要求。

[1] 嚴(yán)宗鑫. 通信用磷酸鐵鋰后備電池系統(tǒng)搭建及電池失效機(jī)制[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2013.

[2] 陳立劍. 鋰電池組串聯(lián)均衡系統(tǒng)研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(4): 54-57.

[3] 王立強(qiáng), 王瑋, 王占國(guó), 等. 軌道交通用鈦酸鋰電池不一致性研究[J]. 電源技術(shù), 2017, 41(2): 195-197.

[4] 蔡鴻武, 黃鵬, 陳立劍. 大容量電池組串聯(lián)充電均衡控制方法研究[J]. 船電技術(shù), 2009, 29(9): 51-54.

[5] 謝冬雪, 唐禎安, 蔡泓, 等. 基于STM32和LTC6804的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2018, 10: 63-67.

Design of the Passive Equilibrium System for Back-up Lithium Batteries

Yuan Yang1, Cai Jiuqing2, Wang Wentao2, Wu Fang2

(1. Naval Representative Office of Huludao, Huludao 125004, Liaoning, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM911

A

1003-4862（2019）12-0055-03

2019-04-17

袁陽(yáng)（1984-），男，工程師，研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: syqn81192@qq.com