李建輝 王彩申 林心笑

（1.東莞理工學院城市學院 2.東莞理工學院）

基于Buck-Boost鋰離子電池組均衡電路設計*

李建輝1王彩申2林心笑1

（1.東莞理工學院城市學院 2.東莞理工學院）

針對鋰離子電池組電池的不一致性，提出一種Buck-Boost鋰離子電池組均衡電路方案。以MSP430F5529和電池管理芯片BQ20Z45為核心構(gòu)建最大值法的均衡控制策略，實現(xiàn)單體電池荷電狀態(tài)的一致。實驗結(jié)果表明，均衡管理可解決荷電狀態(tài)失配和容量/能量失配，從而改進串聯(lián)鋰離子電池組的性能。

電池管理系統(tǒng)；均衡管理技術；Buck-Boost型電源變換電路

0 引言

鋰電池以高能量密度、高重復循環(huán)使用次數(shù)、重量輕和綠色環(huán)保等優(yōu)點，逐漸成為新能源汽車的主要動力電池品種[1]。為滿足車載能源系統(tǒng)電壓和容量需求，需要大量的電池串并聯(lián)。雖然電池組由同樣規(guī)格的單體電池組成，但由于單體電池制造過程中性能的分散性和使用過程中電池組內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，導致荷電狀態(tài)不平衡，嚴重時，致使電池永久性損壞。因此保持動力系統(tǒng)電源的荷電能力，提高其安全性和壽命，均衡管理非常重要。

針對動力電池均衡系統(tǒng)的研究，有非能耗型均衡和能耗型均衡2類。非能耗型通過電容或電感類的非耗能元件實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移；能耗型通過電阻消耗高出的電量以實現(xiàn)均衡[2]。近幾年，國內(nèi)外研究重點基本放在非能耗型均衡，主要有：對電路拓撲結(jié)構(gòu)進行分布式DC-DC變換法[3]，成本高、控制復雜、技術要求較高；開關控制旁路電容的開關電容法[4]，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，均衡時間較長，不能檢測單體電壓，存在較強的電磁干擾；多繞組變壓器法通過變壓器繞組實現(xiàn)低電量電池在充電過程中吸收更多能量[5-6]，硬件構(gòu)成簡單，控制容易，但維修成本較高；ZCS和ZVS等軟開關技術也引入了電池均衡研究[7-8]。均衡判據(jù)是電池均衡方法最關鍵的參數(shù)，判據(jù)主要為電壓。目前有很多方法估計荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），如安時法、開路電壓法、卡爾曼濾波法以及這些方法的結(jié)合等。本文提出Buck-Boost型變換均衡法，結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)較少；均衡策略以單體SOC為判據(jù)。每2節(jié)單體電池有1個獨立的均衡單元，對數(shù)目小的串聯(lián)電池組容易實現(xiàn)，均衡精度高、速度快。

1 系統(tǒng)設計

基于Buck-Boost拓撲結(jié)構(gòu)電池雙向均衡電路在多個鋰離子電池串聯(lián)中應用的電路如圖1所示，每相鄰2節(jié)電池需要1個均衡單元，每個均衡單元結(jié)構(gòu)形式完全相同。因此，本文采用2節(jié)電池組進行研究與試驗，其結(jié)果可直接擴展應用到多個鋰離子電池串聯(lián)應用系統(tǒng)。

圖1 基于Buck-Boost拓撲結(jié)構(gòu)電池雙向均衡電路

基于Buck-Boost拓撲結(jié)構(gòu)電池均衡電路系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，由微處理器單元、電池管理單元、均衡單元、顯示單元和通訊接口等組成。電池管理單元采集電池電壓等模擬參數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)化后，對數(shù)據(jù)進行處理，儲存在其內(nèi)部的存儲器內(nèi)。微處理器通過SMBus總線，讀取電池電壓等信息，依據(jù)均衡控制算法輸出PWM信號。PWM信號驅(qū)動均衡單元內(nèi)功率開關工作，實現(xiàn)電池間能量轉(zhuǎn)移。RS232C通訊接口可用于數(shù)據(jù)的自動記錄，顯示單元顯示電池電壓、電流、電池荷電狀態(tài)等信息。

圖2 均衡電路系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 均衡單元

基于Buck-Boost型的電池均衡單元由儲能電感L1，肖特基二極管VD1、VD2和N-MOSFET開關管VT1、VT2組成。

電池B1向電池B2能量轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。其工作過程：當VT1 G端的PWM信號為高電平時，VT1導通，電感Ll從電池Bl汲取能量，電流通路Bl+ →VT1→ L1→Bl－→B1+；當PWM為低電平時，VT1關閉，電感Ll產(chǎn)生反向電動勢且維持續(xù)流，二極管VD2導通，電感釋放能量給B2以轉(zhuǎn)移能量，電流依次流過以下通路L1 → B2+→B2－→VD2→L1，實現(xiàn)B1向B2能量轉(zhuǎn)換。

圖3 B1向B2能量轉(zhuǎn)換原理圖

B2向B1能量轉(zhuǎn)換原理圖如圖4所示，其工作流程與B1向B2能量轉(zhuǎn)換同理。

圖4 B2向B1能量轉(zhuǎn)換原理圖

2.2 微處理器單元

本文采用MSP430F5529微處理器，其內(nèi)部集成的外設或功能部件有：捕獲/比較寄存器的16位定時器、12位ADC、2個通用串行通訊接口支持增強UART、IrDA、同步SPI、I2C、同步SPI等硬件，滿足設計需求。本文由MSP430F5529 MCU與外圍電路配合完成以下功能：1) 通過設置片內(nèi)可編程捕獲/比較寄存器的16位定時器TA0，產(chǎn)生2路10位PWM；2) 通過SMBus總線對電池組的電壓進行采樣、均衡管理；3) 均衡算法實現(xiàn)和均衡控制、驅(qū)動LCD顯示屏，顯示電池的電壓、電流、SOC；4) 通過RS232C通訊接口，實現(xiàn)電池組工作狀態(tài)數(shù)據(jù)自動記錄及傳輸。

2.3 電池單體電壓SOC檢測

鋰離子電池組均衡管理的前提是準確檢測電池組中單體電池的電壓。電池長時間靜置時，估計開路電壓和SOC關系的最普遍和準確的方法是開路電壓法[9]。然而電池組中各節(jié)單體電池串聯(lián)使用，電池兩端存在共模電壓，單體電壓的檢測不能采用直接采樣的方法。

本文中，基于BQ20Z45的電池電壓采樣應用電路圖如圖5所示。電路主要由電壓和溫度測量網(wǎng)絡、串口和取樣電阻等組成。BQ20Z45芯片最多可測4節(jié)電池的電壓，其有效分辨率為15位，測量偏差為10 uV，本文利用VC1和VC2腳監(jiān)測電池包和單節(jié)電池電壓。

圖5 基于BQ20Z45電池電壓采樣應用電路圖

2.4 驅(qū)動電路

均衡電路功率MOSFET的驅(qū)動是設計中需要特別注意的地方。由于所有的MOSFET和電池是非隔離的，有較高的共模電壓，且每個MOSFET的電位不相等，因此，無法采用常用的方法將所有MOSFET的源極共電位，這樣會造成電池直接短路。

本文選用IR2118作為驅(qū)動芯片。IR2118是專為驅(qū)動單個MOSFET或IGBT而設計的柵極驅(qū)動器。它采用高壓集成電路技術和無閂鎖CMOS技術，可用于工作母線電壓高達600 V的系統(tǒng)中。其輸入與標準的CMOS電平兼容，輸出驅(qū)動特性可滿足交叉導通時間最短的大電流驅(qū)動輸出級的設計要求。其懸浮通道與自舉技術使其可直接驅(qū)動一個工作于母線電壓高達600 V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFET。來自MCU的PWM信號先經(jīng)VT1電平轉(zhuǎn)換（滿足IR2118輸入電平需求），加在IR2118的輸入端，輸出端驅(qū)動均衡單元的功率開關N-MOSFET。

3 均衡算法與軟件設計

3.1 均衡控制策略

本文以2節(jié)鋰電池作為研究對象，系統(tǒng)采用最大值法，設Vmax為電池組中單體電壓最大值，Vmin為電池組中單體電壓最小值，θ為設定的均衡啟動電壓閾值（10 mV）。當Vmax－Vmin＞ θ時，均衡模塊將組中最高電壓的單體電池對應的PWM開啟，直到Vmax－Vmin≤ θ為止。這種均衡策略主要適用于絕大部分單體電池是均衡的、個別的單體電池電壓太高或太低的情況。其優(yōu)點是能量消耗相對較小，缺點是僅對其中一個單體進行操作，需要的均衡時間較長，均衡效率較低[10-11]。

3.2 均衡模塊軟件設計

本文的均衡管理算法流程圖如圖6所示。首先讀取每節(jié)單體電池的電壓Vi；然后電池電壓滿足Vmax－Vmin＞ θ的單體電池對應的PWM開啟300 s（即均衡300 s)，停止6 s，使2節(jié)電池的電壓穩(wěn)定；最后讀取每節(jié)單體電池的電壓Vi，判斷是否需要再次均衡。通過控制芯片打開各節(jié)單體電池相應的PWM通道，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，這樣可提高能量的轉(zhuǎn)移率。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 電感電流波形

實測均衡單元中電感電流波形如圖7所示。

圖7 均衡過程電感電流波形

當|Vl-V2| ＞10 mV時，MSP430發(fā)出20 kHz的PWM波。當PWM為高電平時，Qn導通，電感Ll的電流Is流過電感線圈L，電感L開始儲存電量，電感電流上升；當PWM為低電平時，Qn截止，電感L釋放電量，電感電流下降，直至為0（DCM模式）。

4.2 均衡電路效果實驗

以本文的電池組作為測試對象，對電池的充放電進行實時監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)電池端電壓實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制充、放電均衡電壓曲線圖如圖8(a)、8(b)所示。

充電均衡實驗：充電前，V1為3272 mV，V2為2868 mV，電池組處于不均衡狀態(tài)，電壓差為404 mV。充電停止時，電壓差縮小到10 mV左右，均衡效果明顯。

放電均衡實驗：放電前，V1為4123 mV，V2為3762 mV，電池組處于不均衡狀態(tài)，電壓差為361 mV。放電結(jié)束后，電壓差縮小到10 mV左右，均衡效果明顯。

圖8(a) 充電均衡電壓曲線圖

圖8(b) 放電均衡電壓曲線圖

5 結(jié)語

均衡管理技術是鋰離子電池管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，它可防止單體電池過充和過放，從而最大限度地延長電池的使用壽命，還保證動力電池充放電過程的安全高效。本文所設計的均衡管理模塊，采用雙向Buck-Boost型電源變換的均衡電路，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，不僅精確地測量了單體電池的電壓、SOC、系統(tǒng)的功耗電流和溫度參數(shù)，且還能實時地進行均衡過程控制，有效地使各單體電池的能量趨于一致。但是，該均衡模塊對單體電池的低功耗和效率還有待提高，均衡的功能還有進一步優(yōu)化的空間。

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Equalization Circuit Design Based on Bidirectional Buck-Boost Power Converter Circuit For Lithium Battery

Li Jianhui1Wang Caishen2Lin Xinxiao1
(1.City College of Dongguan University of Technology 2. Dongguan University of Technology)

Due to the problem of charge imbalance for lithium ion battery cell, the paper proposes a bidirectional buck boost power converter circuit as equalization circuit. Equalization algorithm based on microprocessor MSP430F5529 and battery management chip BQ20Z45 as core of the implementation and has the voltage of the battery, SOC display and other functions. The results show that the equilibrium management can solve the loss distribution of the charged state (SOC) and the capacity of the (C/E) mismatch, thereby improving the performance of the series of lithium ion batteries.

Battery Management System; Cell Equalization Technology; Buck-Boost Power Conversion Circuit

李建輝，男，1983年生，碩士，實驗師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用、無線傳感網(wǎng)絡、電源管理等。E-mail: lijh0511@163.com

東莞市科技計劃項目（2014106101021，2014108101034）