基于SOC 主動均衡和健康診斷的電動自行車鋰電池智能保護器

李曉峰，張珂，安安凱

（中國計量大學，浙江杭州，310018）

0 背景

電池均衡管理作為電池管理系統的核心之一，在解決電池組不均衡問題，使電池組中各單體電池的性能基本一致、最大化電池組的容量，確保電動自行車的續駛里程以及安全性等方面發揮著巨大的作用。所謂電池均衡就是在電池組充電、放電或者靜置時，通過相應的電路拓撲對電池組中各單體電池進行能量釋放或者轉移以實現電池間能量均衡。

在龐大的單體電池串、并聯組成的電池組，由于不一致性等原因，由于木桶效應個別特性較差、容量較小的電池單體會直接影響和電池組整體的容量大小和使用壽命。因此，研究一個具備均衡管理功能的電池管理系統顯得尤為重要。作為監視電池組情況、保障電池組安全、提升電池組運行性能的重要舉措。

電池均衡管理技術復雜、成本高，目前主要用于電動汽車，而對于目前社會保有量巨大的電動自行車市場，由于成本、體積等原因，鮮少用到電池均衡管理技術。因而，研究主動均衡型電動自行車鋰電池智能保護器的意義不僅在于提高了鋰電池的使用壽命，更提高了鋰電池的安全性，面對發展迅猛的電動自行車市場，主動均衡型電動自行車鋰電池智能保護器必將在未來的競爭中嶄露頭角。主動均衡型鋰電池保護器能夠智能均衡鋰電池在充放電過程中的SOC，能夠診斷單節電池的健康狀況并實現數據的遠程可視化，整體提高鋰電池的能量轉化效率、延長使用壽命，且整體成本經濟、符合國家綠色環保的發展理念。產品將在鋰電池保護器相關的領域有較大的應用前景和廣闊的市場前景。

從電動自行車角度出發，一個優秀的電池均衡管理主要包括檢測電路、均衡電路和保護電路等組成，如圖1 所示。

圖1 硬件電路原理示意圖

下面我們分別來闡述各個電路的工作原理和設計。

1 檢測電路設計

單體電池通過串聯組成電池組，為均衡所需，需要對單個電池進行測量。為降低電路成本、簡化電路結構，同時也增加可靠性，我們通過繼電器切換實現單體的電壓測量和均衡充電，其中利用單端接地的方法測量各單體電壓，圖1中任意一個繼電器吸合時，可以把其中一個電池接入MCU里完成檢測，避免的整個電池組的高電壓對控制系統的損害，同時提高了測量的準確性。各單體兩端繼電器的控制通過4-16 線譯碼器間接實現，確保對電池單體的單一選擇，保證均衡效率。K1～K3 為MOSFET 管功率開關，由單片機控制，防止電池組的過充和過放。

單片機外設4-16 線譯碼器，按照時間階梯次序，單路選擇某一路繼電器打開，即測量單體電池采樣每一節電池的參數。根據采集到的參數，單片機對電路中的功率管進行控制，達到SOC 均衡的效果檢測電路如圖2 所示。

圖2 單體電壓檢測電路

電路基于能耗和單體電壓測量的準確性考慮，采用MCU 控制繼電器定時采集各單體電壓。檢測電路ADC 采樣采用單端接地測量，直接測到單體獨立電壓，使測量更準確。該系統檢測電路與均衡算法相結合，系統通過分析每次的采集數據，確定電池組狀態和下次單體電壓檢測時間。

2 均衡電路設計

在鋰電池的使用過程中，由于單體電池的性能不同，導致充放電效率不一致，智能鋰電池保護系統采用主動均衡電路，將整體的電能經過DC-DC 給充放電過程中SOC 較低的單體，從而解決充放電效率不一致的問題，延長放電時間。

對比電池管理系統的均衡策略，無外乎電感型主動均衡、電容型主動均衡、DC-DC 型主動均衡。其中基于DC-DC 模型的主動均衡，通過設計合適的DC-DC 電路，極大地提高了均衡電流，從而保證了均衡的效率。

圖3 為DC-DC 均衡電路，電路輸入來自充電器，電動自行車一般為48V 輸入，隔離輸出為5V，采用高效率開關電源隔離模塊，然后通過一個TP4056 鋰電池充電芯片，給3.7V 單體鋰電池均衡充電。

圖3 DC-DC 均衡電路

3 保護電路設計

在電池使用和均衡充電過程中，電池的過放電和過充電，對鋰電池的使用壽命和安全都是極其不利的，因而需設計過放過充保護電路，在電池使用和充電過程中，實時檢測電池電壓，保護電路如圖4 所示。

圖4 過充和過放保護電路

充放電過程中MCU 通過監測各單體電壓判斷電池SOC。當接近過充或過放時，MCU 立即給控制口加低電平，使三極管8550 導通，對應MOSFET 管Q16 的柵極接到地，進而源極和漏極不導通，切斷電池組與充電器或電機的連接，實現對整個電池組的保護。

4 算法設計

在硬件設計制作完成并能穩定工作的情況下，開始軟件設計，且對均衡的效果至關重要。我們采用的軟件開發環境采用的 是STM32CubeMX 和Keil MDK5。STM32CubeMX是意法半導體推出的圖形化配置工具，通過圖形化的操作實現相關配置，生成C 語言代碼，支持包括MDK 在內的多種工具鏈，可以大幅縮短嵌入式軟件開發的時間。

為了方便程序調試和提高可靠性，軟件采用前后臺系統模型，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務程序等組成，能夠實時地響應事件，輪詢處理任務。程序結構和流程圖，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 程序結構圖

圖6 程序流程

圖7 充電主動均衡流程

圖8 放電主動均衡流程

圖9 鋰電池的性能衰減趨勢

SOC（State of Charge），即電池的剩余電量，也稱為荷電狀態。表示電池使用或長期擱置一段時間后，其剩余容量與總的可用容量的比值，常用百分數表示。對電池SOC 的準確估算，既是電動自行車估算續航里程最基本的要求，又是提升電池利用效率和安全性能的基本保證。

開路電壓法是最簡單的 SOC 估算方法，由電池的工作特性知，電池的開路電壓與電池的SOC 間存在一定的對應關系，所以可以通過試驗方法測得不同放電電流情況下電池端電壓與電池 SOC的關系曲線。這樣通過實時采樣電池放電時的端電壓，查表即可求得當前時刻電池的 SOC，該方法中還用電池的循環壽命及內阻對電池 SOC 進行補償校正。該方法要求鋰電池組需要靜置一段時間，所以無法檢測動態檢測開路電壓，無法用于動態電池的 SOC 估算。

安時積分法（也叫電流積分法或者庫侖計數法）。即電池充放電時，通過累積充進和放出的電量來估算SOC。簡化公式如下：

其中：Cmax：電池容量（Ah）；Inow：電流（A）；t：時間。

從公式(1)不難看出，該估算方法存在著誤差，主要來源于三個方面：電流采樣造成誤差（采樣精度、采樣間隔）、電池容量變化造成誤差（溫度變化、電池老化、充放電倍率不同、電池自放電）、SOC（初始SOC 估算困難、最終SOC 過程取舍誤差）。

為減小誤差，在SOC 估計中引入卡爾曼濾波算法，根據當前儀器的“測量值”，上一刻的“預測量”，以及“誤差”，來計算得到當前的“最優值”。把誤差（預測誤差和測量誤差，通稱為噪聲）納入計算，誤差獨立存在，不受測量數據的影響。最終將選擇兩種方法之一進行SOC 計算。

對于充放電狀態，主動均衡流程如下：

在放電狀態下，單片機定時對每一節電池的參數逐個采樣。當某一節單體的電壓接近下限電壓或遠低于平均值，開啟DC-DC 對單體進行充電，當所有單體降到下限啟動過放保護使電池組停止放電。

對于充電狀態，單片機控制逐個充滿單體電池。單片機定時對每一節電池的參數逐個采樣。當某一節單體的電壓接近上限電壓，關閉繼電器使DC-DC 對單體停止充電，當所有單體到達上限則啟動過放保護使電池組停止充電。

同時引入基于異常點的主動均衡算法，可提高鋰電池電壓采樣精度和均衡準確性。

階梯定時采集的依據來自SOC 估計，通過建立電量消耗模型，估計電池放電量，進而修改測量間隔時間。對于接近下限電壓或上限電壓的單體，額外增加測量次數。

5 電池健康評估

每個型號鋰電池都有其出廠的使用壽命和充放電次數，當電池組中某單體性能降到一定程度則需要更換該單體，以保證整體的平均性能。智能保護器根據電池初始壽命曲線，同時結合多次充放電的時間，電能儲量，飽和電壓等數據建立電池單體健康狀況評估模型，以實現對電池性能的了解。

6 數據可視化的開發

通過藍牙將單片機上的數據發送至手機。智能管理系統對電池的健康狀況、電量、維護信息進行可視化。在遇到單節電池性能下降時，系統可以計算出電池最佳更換時間。讓使用者清楚地看到電池的健康狀況，以便于維修、更換、保養，并允許用戶配置電池的管理方案，更加人性化。

7 實驗結果和分析

實物完成后，我們進行了測試，用到的測試設備有：鋰電池充電器、5 位半高精度萬用表、模擬負載等。

實物及測試設備連接見圖10。

圖10 實物及測試連接

測量分兩部分，首先是對單體電池電壓采集測量，在SOC 主動均衡算法中，為了達到較好的均衡效果，對電壓測量精度要求很高，一般要求測量精度在5‰以上，隨機選擇若干個單體電池測量，并用5 位半萬用表作基準測量，結果如表1 所示。

表1 電壓測量

以上誤差范圍均在5‰內。

在硬件穩定工作基礎上，并完成算法設計，然后對均衡效果進行測量，采用同樣的電池組，先普通不均衡充電一段時間，測量單體電池電壓，再用均衡充電，測量單體電池電壓，兩者比對得出最終的結論，具體測量結果如表2 所示。

表2 均衡效果比對

根據以上比對測試，證明采用均衡充電的電池組，在充電結束后，各單體電池組電壓相差不大，誤差小于0.02V，而采用普通充電方式，在充電結束后，3 號單體電池和6 號單體電池，電壓差達0.2V以上，個別電池在整個充電結束后，例如3 號單體電池電壓超過4.2V，長期這樣會影響壽命。

8 結論

應用SOC 主動均衡算法，針對單體電池的特性與特點制定保護方案，有效延長鋰電池使用壽命。在電池組中，當電池差異較大時，可以區別對待每節電池的充放電方式。使用機器學習方法建立每節電池的傳遞函數，充電和放電過程都能夠實現SOC 一致。

建立電池健康狀況診斷模型，對整體電池組中的每個個體狀況進行診斷，實現壞電的定位，預警和引導更換。

應用物聯網技術，對鋰電池使用狀況進行監測，實現單體電池使用狀況的可視化，使用者可以通過手機APP 清楚地看到電池的充放電狀態、健康狀況、電量等維護信息，便于更換電芯，更加人性化地解決了電池復雜的充放電保護問題。