动力电池组电压采集及均衡控制策略研究

动力电池组电压采集及均衡控制策略研究

张占庆苏晓宁

天津力神股份有限公司天津300384

摘要：电动汽车中的电池智能管理系统作为电动汽车三大控制系统之一，其研发受到了国内外研究学者的普遍研讨，并已经成为新型电动汽车产业发展的新方向。而管理系统中均衡模块的设计仍是国内外锂电池组一致性研究的热点与难点。电池技术的不成熟，特别是电池成组使用时的不一致性极大地制约了电动汽车的发展。为了避免因个别单体的过充、过放而导致电池组提前失效，提高电池组的使用性能和寿命，对于正在运行的电动汽车，其电池管理系统需要实时监测电池组各单体电池电压，并以此实现电池单体之间的均衡控制。

关键词：动力电池；电压采集；均衡控制；电池管理系统

一、电压采集

1．1LTC6802芯片应用分析

LTC6802是“near公司设计推出的一款专业的电池管理芯片，芯片内部集成一个12位的ADc、一个精准电压基准、一个高电压输入多工器，其具有一个可单独寻址的串行接口，因而允许把多达16个LTC6802器件连接至一个控制处理器并同时运作。该芯片的主要功能包括可测量多达12个串联锂离子电池的电压（最大值为60V）；堆栈式构架可实现了高电压电池组的监视；可实现4位地址进行单独寻址；内置无源电量平衡开关；抗EMI的能力高；具内置噪声滤波器的△∑转换器、导线开路连接故障检测以及具有低功率模式等等。

1．2电压采集以硬件实现

电动汽车在充电及行驶过程中，电池管理系统需要实时的监测电池组内各个电池的电压值，确保所有电池没有发生过充和过放电的情况发生。针对锂电池来说，电池过充电将使电池内部温度急剧升高，严重时有可能发生爆炸及起火的危险，发生过放电的锂电池将使电池内部的化学物质发生不可逆的破坏，从而导致电池报废。因此，一个有效的电池管理系统对延长电池使用寿命，防止电池发生危险起到关键作用，而这些都依赖于电池管理系统能够从电池端采集到较高精度的电池单体电压值，并依据这个精准的电压值为系统提供可靠地保护。本采集板以LTC6802为核心芯片，通过设计相应的外围电路来实现12节电池电压采集的功能。

二、动力电池组能量均衡控制设计

2.1均衡原理

按照均衡过程中均衡元件对能量的消耗情况，电池组均衡方法可以分为耗散型均衡和非耗散型均衡两种。耗散型均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。非耗散型均衡是将高能单体电池的能量转移到中间储能体上，再将转储的能量转移到低能单体电池上。本文所设计的动力电池组均衡电路为电感为中间储能体的非耗散型均衡，具体如图1所示。

上图所示电池组共由n个单体电池构成，均衡电路位于每两个相邻的单体之间，整个电池组共有n-1个均衡电路。假设电池组中单体电压UE1>UE2并超过系统设定的偏差值，系统控制开关三极管VT12导通，单体电池E1的能量被储存在L1中。随后VT12断开，L1中储存的能量继续通过L1、E2、VT21形成的反并联二极管回路转移到E2中，也即实现了能量从E1到E2的转移。假设UE2>UE1，则开关三极管VT21被触发导通，电池E2的部分能量转移到L1中。随后VT21关断，L1中储存的能量继续通过L1、E1、VT12形成的反并联二极管回路转移到E1中，从而实现了从E2到E1的能量转移。相邻单体实现了电池组的双向无损耗能量均衡。

2.2均衡电路模块的设计

本文所设计的均衡模块控制电路，其核心控制元件采用取LTC6802芯片，完成电池电压及温度等信号的采集处理，并输出控制信号。该处理器具有内置8个通道，分辨率为10位的A/D，具有LCD驱动、异步串行通信接口和PWM输出等多种功能，满足设计要求。信号采集电路检测单体电池电压，并输入到微处理器的A/D通道，转化为数字信号，系统经过控制算法输出控制信号，经过光电隔离，控制均衡模块工作，同时输出显示信号，使驾驶员时刻掌握电池组动态。

2.3控制程序设计

控制算法采用C语言编程，并且选用PICC作为C语言编译器，使程序的读写和维护简单可行，今后程序的修改及移植也更方便。为消除干扰误差，A/D转换取检测数据多次转换的平均值代替真值，并在程序中设定单体电池的最低电压，只有当电压超过最低电压值时，对应的均衡模块电路才工作。

2.4电池均衡管理系统

该系统中由电流传感器控制着整个电路的总电流，总共由N个电池箱构成总的大电池组。其中每个电池箱内部都设有一个检测模块来监控其中的单体电池，其主要功能是对本箱电池电压和温度数据的采集、对本箱电池一致性判断、对最高电池电压和温度的估算、对总电流进行测量、估算SOC以及风机控制等，除此之外还响应BCU主控模块的命令，将电池中的信息定期返回到BCU主控模块中。主控模块的功能是收集每个电池箱中检测模块的数据，然后对收集上来的数据作进一步的集中分析和处理，其目的是对当前电池的是否出现故障做出正确判断、并对电池系统发出及时的的预警和报警信号。同时，主控模块还可以对电池组的工作电流进行测量，结合电池的各项参数的数据进行对电池做SOC估测和离散性评估。

三、总结

本设计采用独立均衡控制方案，多个均衡模块能同时工作，实现能量从高能单体向相邻低能单体快速无损传递，各个均衡模块独立工作，保证了电池组的快速均衡。均衡电路采用了智能化的控制技术，微控制器以特定算法判断电池均衡的必要性，并通过输出通道输出PWM信号控制均衡模块工作。随着测试数据的积累，电池均衡算法的不断改进，电池组能量均衡技术将得到进一步的完善，均衡效果得到进一步的提高。

参考文献：

[1]余剑武，范光辉，雷吉平，李鑫，张亚飞.动力电池组汇流排过载能力及电流均衡性影响因素研究[J].中国机械工程，2017（20）

[2]康斌，谭晓军，陈维杰.电动汽车电池组分级均衡充电方法的对比研究[J].电源技术，2017（09）