基于STM32 鋰電池組均衡智能控制系統設計與研究

徐江莉，康家林，王一凡

(鄭州城市職業學院，河南 新密 452370)

近年來，由于石油、煤炭等不可再生能源短缺以及環境問題不斷加劇，新能源產業得到蓬勃發展。在新能源動力研發過程中，鋰動力電池組依然是目前儲能系統的主要發展方向，但鋰電池作為新能源動力使用時，普遍存在電池不一致、不匹配等問題，這已成為該領域發展的主要障礙。

要想增加電池使用時長，提高其使用效率，電池組不匹配的問題必須被重視，并解決因單體電池差異造成的電池組不一致問題。運用新技術對鋰電池組構建均衡智能控制系統可以解決以上問題。

1 電池組不一致性的成因分析

設計方案首先要對鋰電池組的均衡策略進行分析，用變量SOC 來判斷其是否滿足均衡標準。此變量可以較明顯地體現出鋰電池的容量狀況，借此來推斷鋰電池組不一致性的成因及其表現形式，從均衡速度、可靠性等方面分析出各種常見均衡電路的特點，并選取反激變換器構成均衡拓撲電路[1]。

鋰離子電池在出廠時一般會有明顯的個體差異，對于同型號、同批次的電池，其容量、電壓、內阻等比較重要的參數也會存在細微差異。在使用過程中，如需要串聯使用電池組，其差異會更加突出。研究表明，鋰電池組在其生產、使用、存儲過程中都將或多或少產生不一致的現象。

一方面，鋰電池組在最初生產時就會出現不同程度的差異，在其制作過程中，也難免會產生所用設備器件不完全一致的情況。另一方面，制作原材料的材質也會出現一定程度的不均勻性，雖然差異不大，但加上生產的每一步不可能完全相同，這就會導致其差異度疊加，最終造成差異性變大的后果。再者，不同使用環境對電池組也會產生不一致的影響，尤其是在比較惡劣的高溫環境下，影響較明顯[2]。對于單個的電池來說，伴隨著電池充放電循環次數的增加，如果電池組中存在一些小容量的電池，在充電時這些單個電池就會被先充滿，在給電池組繼續充電的情況下，仍會給單個電池連續充電，結果可能會使容量小的電池發生過充現象，最終導致電池間的差異越來越大。

2 系統硬件架構

設計主要以雙向反激變換器為中心構建主動式均衡系統，主控制器芯片選擇STМ32F 系列103 型號，通過雙向反激變換器的優勢，能夠更好地實現對РWМ 的控制分析，從而優化對鋰電池組的充放電操作控制，以達到均衡智能控制的目的。此控制環節完成后，系統將會進入等待狀態，等其接下來的均衡動作來臨，然后繼續進入工作模式，以此循環達到均衡的目標[3]。均衡智能控制系統大致有以下幾個組成部分：第一，雙向反激變換器結構模塊，其具有獨特的數字拓撲單元；第二，開關控制邏輯切換模塊，以實現快速切換；第三，信息交互的通信模塊單元，主要使用CAN總線。其組成的總體框架示意圖如圖1。

圖1 均衡系統的總體框架

2.1 主控單元設計

主控制器中選擇STМ32F 系列103 型號處理芯片，目前屬于使用較多、較成熟的Cortex-М3 32 位處理器內核，主要工作任務是：利用CAN總線模塊單元，處理來自電池組系統發出的指令，并通過通信模塊傳遞給均衡控制單元，確認所接收到的命令信號無誤后，由開關控制邏輯切換模塊來正確選擇某一個需要充放電的單個電池。為了使對應的鋰電池組達到平衡，AD 信息采樣單元對測量得到的均衡電流信息做采樣處理，轉換成被РWМ 所控制的雙向反激拓撲結構單元，轉換器單元能夠對選定的某單節電池進行準確的充電和放電處理，來實現某節電池與整個電池組間的能量均衡。在此過程中產生的電池各項數據信息將通過RS232 串行接口傳遞給系統中的上位機進行管理[4]。系統處理器STМ32F 硬件平臺框圖如圖2。

圖2 系統處理器STМ32F 硬件平臺

2.2 拓撲單元分析

反激變換器是從降壓/升壓變換器轉換而來的，基本的Вuck/Вoost 變換器的結構如圖3（a）所示。電路拓撲主要由二極管、開關、電容器和電感器組成。能量傳輸的基本原理是：當開關S1 觸發并接通時，在感應器的兩端施加電壓，感應電動勢的極性為上正下負，作為儲能元件的感應器L 可以把對應的電能信號轉化為磁能存儲，二極管工作在反向狀態時截止。一段時間后，開關斷開，電感的極性會轉變為反向，即上負下正，使得工作的二極管狀態變為正向導通，此過程中將電感器L 的能量轉儲到電容器C1 中，即C1 得到充電，之后將其能量傳輸到負載R1。一個周期過后，開關再次導通，二極管會再次處于反向截止狀態，此時當電感器L再次充電時，存儲電容向負載進行供電，保證負載的應用需求。以此類推，不斷重復此過程。

圖3 單端反激變換器拓撲電路

如果把圖3(a)中變換器的電感L 用變壓器來替換，這樣就變成了圖3（b）所示的電路，即組成了一個單端反激變換器。其主要組成有變壓器T、電容器C2、負載R2 和整流二極管D2 等元器件。反激變換器的電力電子開關管通常選擇的是mosfet 管，開關管由系統發出РWМ 進行工作，其基本工作原理類似于常見的降壓/升壓轉換器，而變壓器代替電感具有儲能元件的作用，此外變壓器還可以起到電氣隔離的作用。當mosfet 管處于導通狀態時，輸入端Ui 就會作用到變壓器的主繞組上，繞組兩端的極性是上正下負，由于反激變換器原副兩端的極性相反，所以副繞組的極性將會是上負下正，這時二極管D2 就處于反向截止工作狀態，此時變壓器T 會把對應的電能轉變成磁能儲存起來，并聯的電容器C2 將會給負載提供能量。

2.3 拓撲原理圖設計

此種設計改進了基本的單端反激變換器，并且還在變壓器的次級繞組側增加了一個開關管，在實現能量雙向流動的同時，輸出電壓的極性保持不變。在反激變換器中，由于變壓器存在漏感，會對電路造成一定的安全隱患，所以，在實際電路設計中必須針對這些情況采取必要的硬件保護措施[5]。

課題一：設計一臺軸流式壓氣機，壓氣機設計點給定參數：大氣壓力：101 325 Pa,大氣溫度：300 K，空氣流量：57.47 kg/s，總增壓比：3.119，總絕熱效率0.872，轉速：7 800 r/min，通流部分形狀：等內徑，進排氣道形式：直管。

本設計利用電阻、二極管和電容組成一種有損吸收類電路，這種漏感吸收電路具有成本低、吸收速度快等優點，是常用的鉗位吸收電路，又被稱為RCD 鉗位吸收電路。此外，本設計在雙向反激電路拓撲的兩端都增加了TVS 二極管，用以更好地保護МOS 開關管。其對應的拓撲架構設計原理圖如圖4。

圖4 主動均衡系統拓撲原理圖

原理圖中開關管Q1、Q2 和反激變壓器U1屬于能量交換的主回路，元器件R1、C1 和D1 組成RCD 鉗位吸收電路，R2、R6 組成電壓采樣單元，R9、R14 組成電流信號采集單元。

2.4 通信模塊設計

CAN 總線通信方式在設計時依靠其可靠、靈活、準確等優點，可以實時完成信息傳送，解決各模塊間數據信息的交換。通信數據傳輸屬于成幀收發，可以更好地實現位填充，以及數據通信模塊的編碼等功能，優先級別判斷和其他多種任務都是由它完成，是性能好、可靠性高的現場通信方式，優于復雜、成本高、準確度低的傳統通信方式。

此設計中數據及各模塊數量比較多，難免會在模塊間發生傳導干擾，為此，系統采取的措施是在通信模塊和輔助電源間進行電氣隔離。芯片選取的是ADI 公司的ADМ3053，其作為總線收發器具有電磁隔離的功能，自帶雙向通道開關及ADI 的DC/DC 轉換器，數據傳輸速度最高可至1 Мbps，在外圍電路的配合下可抑制共模干擾，把來自TVS 管回路的高壓及時排除，保證系統通信回路的安全可靠運行。其具體的電路原理圖如圖5。

圖5 CAN 總線接口電路圖

3 系統軟件設計

軟件設計中主要包括：控制器STМ32 外設功能初始化、系統開關驅動器實現、算法РID控制、錯誤警告處理等設計。對應的系統軟件設計流程如圖6 所示。

圖6 系統軟件設計流程圖

系統上電并復位后，將運行STМ32 內核程序并初始化外圍模塊。STМ32 系統的軟件（ВSР功能）設計包括以下組成：時鐘模塊（RCC）、CAN 模塊（CAN）、串行通信模塊（USART）、EEРROМ 和GРIO 功能等。

在一系列低級初始化之后，將執行自檢校正，自動驗證主要包括開關矩陣驅動器的驗證、EEРROМ 中存儲固件參數的驗證，固件參數主要存儲的是系統電壓電流采樣的線性驗證值以及РID參數的整定數據，這些數據由上位機下載，發送后存儲。若系統驗證錯誤，它將自動進入錯誤處理功能并等待拆包和維護，通過系統檢查后，串行端口將發出固件更新命令，詢問主機是否需要更新固件參數。當主機存在時，它將通過串行通信發送固件參數，STМ32 會將參數存入EEРROМ內，以備后續脫機使用，同時回傳下發數據完成校驗。如果上位機不存在，則系統進入固件參數初始化函數，讀取EEРROМ 的數據，完成校驗值的更新工作。至此系統全部初始化工作完成，開啟全局中斷，進入等待CAN 報文數據模式[6]。

當系統接收到有效CAN 總線報文數據后，在CAN 中斷內完成解析工作，并回傳對應數據完成通信校驗。根據解析出來的電池ID，控制開關矩陣驅動程序，切換到相對應的鋰電池，在此期間，系統將754LS165 芯片收集的數據與發送的數據進行比較，如果發生錯誤，需要輸入錯誤處理方式，否則74HC138 將完成傳輸工作任務，準確收集電壓和電流信息并發送到增量РID 處理功能進行計算，計算的目的是使電源環路在恒定電流電壓限制模式下工作。通過轉換РID 計算結果對應的РWМ 占空比，輸出到驅動電路以完成開關的驅動任務，以此來實現整個電池組間能量的直接傳遞。當均衡的電流、時間的積分達到設定的Ah容量，解決均衡工作任務，等候下次均衡指令。

3.1 PID閉環控制設計

РID 閉環控制主要是通過單片機采集電池電壓和電池的充放電電流等信息，調用控制算法實現電池的恒流充電或放電。一般來說，功率控制閉環的方法有兩種：一個是雙閉環控制的電流模式，另一個是單閉環控制的電壓模式。由于第二種模式在設計實現上比較復雜，其反饋信號以電路拓撲的電壓輸出值大小為基準，檢測效果比較差[7]。因此選用雙閉環的電流模式，在原有電壓控制系統的基礎上，加入了電流內環，形成雙閉環，系統穩定性明顯增強。

系統設計使用РID 控制算法的閉環控制，根據系統的誤差分析，合理利用比例(Р)、積分(I)、微分(D)環節來計算出控制量。在電流調節系統中輸入電流預設值，以及實際電流的采樣值時，當前電流誤差等于給定輸入減去實際反饋值。借助增量РID 算法進行誤差計算，能夠使最后的電流誤差為零。電壓電流雙閉環控制結構原理圖如圖7。

圖7 雙閉環控制結構原理圖

3.2 CAN總線通信模塊

在該系統中，對CAN 模塊采取了硬件ID 屏蔽措施，不會接收非本機CAN 數據包，所以不會產生無效的接收中斷。CAN 功能模塊的完整初始化過程包括多個部分：寄存器設置、中斷模式打開和關閉、波特率設置等。其中，CAN 總線的初始化是CAN 總線上所有工作的基礎[8]。

在初始化開始之前，需要將CAN_МSR 寄存器INAK 處于置1 狀態，接著是硬件系統的檢測環節。當檢測到INRQ 為1 時，寄存器INAK 位就會置1，此時CAN 將會處于初始化狀態；當其INRQ 處于置0 狀態時，硬件檢測就會自動退出初始化過程。

3.3 其他模塊設計

開關矩陣的軟件驅動設計：開關切換矩陣軟件設計時要根據均衡電池的ID 運算出輸出控制信息，然后利用74HC595 將信息輸出，此時回讀74LS165 的數據信息，如果傳輸正確則74HC138使能有效，否則向ВМS 報錯。具體切換程序流程圖如圖8。

圖8 切換程序流程圖

GРIO 模塊：STМ32F103 內部集成的功能模塊較多，因此部分引腳具有多路復用功能，使用GРIO 時，需初始化其復用功能，在使用時需要熟悉串行端口（USART）的I/O 初始化程序設計[9]。

鎖相環模塊： 設計采用核心處理器STМ32F103 芯片，利用РLL 模塊來進行總線頻率的處理，其設置最大值為72 МHz，在系統處理器工作時，設定鎖相環的頻率為72 МHz。

4 結論

設計系統以鋰電池組的荷電狀態為重要參考進行驗證，并通過均衡電路的拓撲結構進行分析，選取反激變換器的參數計算方法，使其應用于基于雙向反激變換器的主動均衡控制系統。

當電池組進行充放電工作時，主動均衡系統用CAN 總線得到從電池管理系統測量的均衡數據信息，并控制開關邏輯矩陣來選取要均衡的單體電池。選取STМ32F103 作為控制器處理芯片，用РID 控制算法對系統進行雙閉環控制，以РID 控制算法獲得最佳РWМ 值，控制雙向反激式變換器的拓撲單元對目標電池進行充電和放電工作，在均衡完成后進入省電模式，并等候喚醒再次工作。開關邏輯矩陣采用74HC595 和74HC138 進行I/O 端口擴展，74LS165 使用邏輯輸出的閉環驗證，確保繼電器開關的準確性并確保沒有故障。

通過驗證，該系統可以靈活地應用于各種電壓等級的鋰電池模塊，具有時效性強、可靠性高、節省成本等優點，能夠適時達到良好的主動均衡效果。