一種鈉離子電池充放電管理系統的設計

摘要：針對鈉離子電池充放電的安全性問題，文章設計了一種能夠進行鈉離子電池充放電控制的管理系統。該系統含模擬前端芯片、主控單元與充放電控制電路，模擬前端芯片采集電流、電壓、溫度等信息用于充放電控制，數據超閾值能及時切斷回路。主回路正極以NMOSFET做充放電MOS，靠電荷泵升壓驅動，保護時切斷正極回路。系統利用二階 RC 等效電路模型分析其充放電特性，且采用擴展卡爾曼濾波加安時積分法估算荷電狀態 SOC。實驗證明，該設計提高了鈉離子電池充放電的安全性。

關鍵詞：鈉離子電池；管理系統；模擬前端芯片；SOC估算

中圖分類號：TP36文獻標志碼：A

0引言

在新能源市場的背景下，儲能板塊對電池的需求逐漸攀升。與鋰電池相比，鈉電池對溫度適應性佳，高溫80 ℃循環充放電900次電量保持率達80%，零下20 ℃也有90%以上的保持率并且安全性好。但鈉電池在充放電時過充、過放會導致其容量衰減甚至起火爆炸，須注意克服其短板發揮優勢。電池管理系統BMS于電動汽車、儲能及便攜式電子設備領域意義非凡，是電池模組與外界信息交互的關鍵橋梁［1］。單體電芯能量與電壓有限，無法滿足多數用電器高壓大容量需求，電池組須串并聯處理，眾多電池若缺乏管理，過充、過放易引發過熱失控、起火爆炸等問題［2］。各單體電芯的壓差與衰減速率差異會影響電池的使用效率與壽命，而剩余容量顯示等問題也亟待解決。

BMS是鈉離子電池壽命保障的核心，具備電壓、電流、溫度檢測功能。它能實時采集、存儲、處理充放電信息并與外界交互，依數據估算SOC，進而管控充放電、實施均衡管理等保護舉措［3-4］。其性能對電池使用成本、效率與安全極為關鍵，研究BMS對鈉離子電池發展意義重大。

為此，本文設計了一種安全性較高的鈉離子電池充放電管理系統。該系統由模擬前端芯片、主控單元和充放電控制電路組成，模擬前端芯片主要負責采集電池在充放電過程中的電壓、電流、溫度等信息，隨后將這些信息傳輸給主控單元。主控單元接收信息后，在進行反饋處理的同時，通過RS485通信把數據傳輸至PC端予以顯示。若主控單元檢測到欠壓、過壓、過流等故障情況，會即刻發送指令關閉MOSFET，從而切斷電流回路。此外，均衡電路模塊能夠對每個單體電池進行監控與管理，有效預防電池組出現過充、過放以及老化等問題［5］。

1系統整體設計

本設計主要由模擬前端芯片、主控單元、通信電路、均衡電路和充放電控制電路組成。模擬前端芯片負責采集電池在充放電過程中的電壓、電流以及溫度等信息，這些信息會被主控單元接收并進行反饋處理。隨后，主控單元通過RS485通信將數據傳輸至PC端，以實現數據的可視化顯示。當主控單元檢測到電池出現欠壓、過壓、過流等故障情況時，會迅速發送指令關閉MOSFET，從而切斷電流回路，確保電池使用安全。此外，均衡電路模塊會對每個單體電池進行實時監控與管理，有效預防電池組出現過充、過放以及老化等問題。這有助于延長電池組的使用壽命，保障其性能穩定。系統總體設計框架如圖1所示，采用T型高邊分口架構，充電時充電器的輸出正極接入電池組的充電端口，該端口標記為CHG+；放電時負載正極接入電池組放電正極端口，標記為PACK+，充電放電的負極端口標記為PACK-/CHG-。

2系統硬件設計

21主控單元電路

N32L406是國民技術推出的一款低功耗通用MCU，采用32位ARM內核，主頻最高64 MHz，支持

浮點運算和 DSP指令。其利用IO口狀態來識別充放電設備是否接入。之后，MCU依據所獲取的信息進行決策，通過IO口直接或向前端芯片發送指令，從而實現開啟或關閉 MOSFET，最終達成對電池充放電回路的有效控制。

22模擬前端電路

SH367309是一款應用在總電壓低于70 V的電池的高性能模擬前端芯片［6］。其內置13位VADC用于采集電芯電壓、溫度以及電流；16位內置CADC用于采集電流以統計Pack剩余容量。此外，芯片還內置EEPROM用于保存保護閾值及延時等可調參數；配備了TWI通信接口，用于操作相關寄存器及EEPROM［7］。

23MOSFET高邊驅動電路

BQ76200是德州儀器推出的一款低功耗、高側N溝道電池管理芯片，具有多種功能和特性［8］。系統借助 MOSFET的體二極管單向導通特性，把充電MOSFET與放電MOSFET背靠背串聯起來。同時，充電MOSFET與充電接口MOSFET也背靠背串聯。當其中一組MOSFET關閉后，電流會順著該MOSFET的體二極管流向另一組 MOSFET，而反向電流則被截斷，達成對電流導通方向的有效控制。

24電源電路

TPS5450DDAR是一款高性能降壓型開關穩壓器芯片，輸入電壓為55 V～36 V，能適應多種不同的電源輸入情況。本文采用TPS5450DDAR芯片作為DCDC轉換芯片輸出5 V電壓，利用SGM2203-33穩壓器輸出33 V電壓。在電路啟動時，由于輸出端起初無電壓，會產生啟動浪涌電流。因此，須在輸入端利用電容接地以吸收浪涌電流。在啟動完成后，還須有效濾除電源中的高頻成分，使輸出電壓更加平滑穩定，為后級電路提供相對純凈的直流電壓。

25RS485通信電路

RS485通信電路可將差分電壓信號轉換為主控芯片能夠處理的TTL電平信號，或者將TTL電平信號轉換為差分信號輸出，這是一種典型的半雙工通信方式。電池管理系統須收集電池單體的電壓、溫度等信息，這些傳感器數據可以通過RS485通信電路發送給電池管理系統的主控單元。同時，該電路也將主控單元的控制指令，如充電電流、充電截止電壓等參數的設置，傳輸給充放電控制模塊，確保電池按照預設的策略進行充放電。

26放電接入檢測電路

放電接入檢測電路可識別DETD端口懸空以及接入電池組負極這兩種狀態，通過DETD_IN 引腳將信息輸入主控芯片MCU，再由軟件判定是否開啟放電回路。DETD端口與輸入信號DETD_IN之間的邏輯關系為：當DETD端口懸空時，三極管截止，此時輸入信號端口DETD_IN為低電平；而當DETD端口接入PACK-時，三極管導通，輸入信號DETD_IN端口的電壓為33 V。

3系統軟件設計

31系統工作流程

系統啟動后，進行系統初始化操作，包括設置系統參數、初始化硬件接口、加載默認配置等，確保系統處于一個穩定的初始狀態。在系統初始化完成后，進行SOC參數初始化，設定SOC的初始值及相關閾值，為后續的電池狀態評估和管理提供初始數據。SOC參數初始化后，進入數據采集階段，系統采集電池電壓、電流、溫度等信息。接著，系統通過濾波、轉換、校正等操作對采集到的數據進行處理，經過處理的數據用于SOC估算。SOC估算完成后，進入均衡控制階段，通過調整充電電流等方式來平衡各個電池的狀態。根據SOC估算結果對電池的充放電過程進行控制，包括決定是否開始充電、充電速度、是否停止充電等，以確保電池在安全和高效的狀態下工作。最后，系統通過RS485通信接口與外部設備進行通信，向外部設備發送電池狀態信息、接收外部控制指令等，實現系統與外部環境的交互。

32荷電狀態SOC估算

荷電狀態SOC是當前剩余容量與電池額定容量的占比，反映了電池組的剩余電量。取值范圍是0～100，當SOC為0%時表示電池電量為空，SOC為100%表示滿電量。本文采用擴展卡爾曼濾波算法來估算SOC，該算法基于二階RC模型，以開路電壓（OCV）與安時積分計算得出的SOC作為輸入值，SOC估算原理如圖2所示。

鈉離子電池組會提供電芯電壓、電芯溫度和電流這些參數，這些參數輸入到模擬前端測量系統中。模擬前端測量系統測量電芯電壓值，測量得到的電芯電壓值一方面輸出給卡爾曼濾波算法，另一方面與鈉電池模型推算出的電芯電壓進行對比，產生誤差。卡爾曼濾波算法接收測量的電芯電壓值和誤差并對其進行處理，最終輸出SOC。同時，SOC的估算還有另外2條路徑。一條是通過安時積分估算SOC，其結果與AH計算的SOC進行比較產生誤差；另一條是鈉電池模型根據電池特性和運行狀態推算電芯電壓，與測量的電芯電壓對比產生誤差。這些誤差會在系統內進行反饋和校正，以保證SOC估算的準確性。

33電壓電流溫度采集

系統啟動時，通過微控制器與SH367309的TWI通信線路，向芯片寫入初始化參數。設定工作模式，調整電壓、電流、溫度采集的基本參數，如VADC和CADC的轉換頻率等，為數據采集做準備。完成初始化后，利用TWI接口向SH367309發送采集指令，芯片內的VADC和CADC依據設定頻率，對電壓、電流傳感器及溫度傳感器信號進行模數轉換并將數據暫存于內部寄存器。隨后，微控制器按預定時間間隔經TWI通信讀取數據。電壓數據根據硬件分壓電路比例還原，電流數據根據傳感器轉換系數轉換，溫度數據按其特性曲線換算。

4系統測試

41采樣精度測試

對鈉離子電池充放電管理系統的電壓、電流、溫度采樣進行測試，確保系統能夠準確地獲取電池的工作狀態信息。精確的電壓、電流采樣有助于準確計算電池的SOC和控制充放電過程；而準確的溫度采樣可以及時發現電池的過熱情況，保障電池的安全和性能。

42SOC估算精度測試

充電過程測試前，將電池靜置16 h以上，充電電流可以設置為05 C（650 mA），充電截止電壓為4 V。在充電過程中，數據采集系統實時記錄電池的電壓、電流、溫度等數據，同時系統采用安時積分法和擴展卡爾曼法估算 SOC，0～120 min內SOC估算值和真實值的對比如圖3所示。

放電過程測試前，將電池充滿并靜置16 h以上。放電電流設置為1 C（1 300 mA），放電截止電壓為3 V。在放電過程中，數據采集系統開始記錄電池的電壓、電流和溫度等數據。放電過程中，充放電管理系統會實時估算SOC，0～60 min內SOC估算值和真實值的對比如圖4所示。

5結語

本文設計了一種基于N32L406的鈉離子電池充放電控制管理系統。該系統借助模擬前端芯片SH367309采集各串電芯的電壓、充放電電流以及溫度等相關數據，之后把采集到的數據回傳至中央控制單元。中央控制單元進行決策并計算電池電量，同時利用RS485通信將數據傳輸到PC端予以顯示。經過測試，本設計憑借主控單元能夠精準檢測到欠壓、過壓、過流等故障狀況，進而可以及時發送指令以關閉MOSFET，成功實現切斷電流回路的功能。

參考文獻

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（編輯沈強）