近年来,锂离子电池产量快速发展,应用领域不断扩大,然而,它对电压、温度和电流要求极其严格,稍有不慎就有可能导致电池受到损伤、报废,乃至燃烧或爆炸.因此,锂电池管理系统应具有的功能有:数据采集、电池荷电状态估计(电气控制、充电与放电的控制)、均衡充电、热量约束、使用安全和数据通讯等功能,由此保障电池的续航时间,使电池的使用寿命得到延长,并使电池的充电效率有效提升.德国Hauck设计的BATTMAN电池管理系统中将全部不同型号动力型电池组的管理做成一个系统,通过改动硬件的跳线和在软件上增加选择参数等方法,实现对不同型号电池组的管理.美国通用汽车公司生产的EV1电池管理系统可监测单电池电压,对电池组电流进行分流采样,保护电池组高压(保险丝),对热敏电阻的温度采样,凭借电池组的平均特性控制充电、过度放电预警并降低电动汽车行驶功能与作用,电量计算等^[1].

在设计锂电池模组管理系统时,仍然存在一些问题:一方面,必须精确估计电池荷电状态,从电池能力的充分发挥和安全性的提高这两个方面实现电池高效管理;另一方面,电池模组需要达到较高的电压系统,且在使用过程中表现出的高度非线性,极大地增加了精确估计电池荷电状态的难度.因此,要保证锂电池模组控制系统与总控制系统的通讯性能,并保证电池模组能够实现自身控制管理.根据锂电池储能系统对其模组通讯性能、自身控制管理功能以及对系统安全性的影响等要求,本文采用低功耗的MSP430型单片机作为主控芯片设计了一种5 kW锂电池模组.

5 kW锂电池模组中的单体电池有10~20块,需要对其进行温度、电压、电流等数据的采集.电池管理系统(BMS)包含主控单元、信号采集与单体电池均衡单元、充放电控制单元、通讯单元等四个部分.5 kW电池模组BMS总体框图如图 1所示.

主控单元与信号采集单元通讯采用串行外设接口SPI通讯方式,与主控系统以控制器局域网CAN总线的方式进行通讯.信号采集与单体电池均衡集中在一个模块中完成.

5 kW锂电池模组的主控单元需要完成对电池组的通断、电池模组与储能设备通讯等功能,且需要具有较强的数据处理能力.为满足本文中按时计量法和开路电压法综合均衡控制算法、荷电状态估计和总线串口通讯等功能,并考虑能耗等成本问题,本文采用64引脚的MSP430芯片作为核心控制芯片.该芯片内部集成2路通讯电路,既可通过选

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Fig. 1

图 1 5 kW电池模组BMS总体框图 Fig. 1 Module block diagram of 5 kW battery BMS

择进行UART0、UART1异步通讯,又可进行SPI1、SPI2同步通讯.MSP430通过UART0部分接口与总控制系统进行CAN总线通讯,模组主控单元与系统总控制单元需要配备相应的通讯隔离电路完成CAN总线通讯.

MSP430型单片机有3套时钟单元,可根据需求提供400 k~12 MHz的时钟频率,以方便采集板数据采集与内部数据处理协同进行.主控单元与电压温度采集模块以SPI通讯模式进行数据交换,电流直接由主控模块从外部电池组通过传感、放大等电路以A/D转换的方式采集.同时为防止受掉电、故障等突发事件的影响,主控单元在检测故障发生的瞬间采用两线式串行总线I2C的通讯方式将数据导入储存芯片EPPROM中,以AT24C512C-SSHD为EPPROM写入芯片.在设备恢复时,重新将数据导出,防止发生故障时数据丢失.

电压、温度采集模块需要实现高精度、高效率的采集,因此采用具有32路信号采集端的bq76PL536A芯片^[2].bq76PL536A是一种可堆栈3~6节串联锂离子电池组的保护器和模拟前端,它在很大程度上归并了高精度模数转化器,电池电压和保护温度的功能突出,电池平衡技术和给用户电路供电的高精度5 V稳压器,无需在集成电路之间使用隔离组件,就可监控192个电池单元.bq76PL536A集结了高精度模数转换器系统和电压转换,可极其精确、迅速地测出电池的单元电压.bq76PL536A可以对过压、欠压和过温状况提供周到保护,超过安全阈值时,可以建立故障输出,无需外部组件就可以设置和运行保护功能.

本文采用4片bq76PL536A芯片堆叠构成采集模块,实现高精度、高效率的电压、温度采集.该模块可方便地进行多路电压、温度的并行采集.采用高速串行外设接口串口通讯4线模式建立bq76PL536A与主控单元MSP430单片机的通讯,MSP430通过高速串行外设接口总线在4片bq76PL536A切换实现采集电池电压、温度信号,主控单元只需4路接口便可完成主控单元与采集模块的信息传递.这种结构既保证了对外丰富的信息采集接口输入,又节省了主控单元接口资源.

采集模块通过在bq76PL536A电压采集端口加入稳压二极管、电容与MOS(金属氧化物半导体)管构成的电压调理电路实现了单体电池的均衡.当单体电池之间压差超过一定值,MOS管导通,高电压单体电池对电容进行充电,电压下降,MOS管压差减小后关闭,使得单体电池之间能够均衡.

5 kW电池模组可提供40~90 V的供电电压,而BMS管理模块中主控单元核心控制芯片工作电压要求为3.3 V,电压采集板bq76PL536A芯片的工作电压要求为5 V,管理模组对应的外设工作电压基本要求在3~5 V.本文首先采LM5008A-DGK_8芯片设计电压转化电路,将电池提供的电压转换并且稳定在10 V,然后采用2TLV70450-DBV_5芯片将10 V电压分别转换为5、3.3 V,为控制板各个模块工作提供稳定的电源,保证主控板的正常工作.

均衡充电模块可改善和解决蓄电池容量的不均衡问题.电池端电压的不均衡直接体现了电池容量的不均衡.如今国内外采取的方案主要是电阻方案、电容均衡方案以及独立充电方案^[3].电容均衡充电方案控制简单,能量损失小,故本文采用此方案.电容均衡充电模块原理如图 2所示,图中:S1、S2、S3、S4均为操纵开关;B1、B2、B3、B4均为电池.该方案运用电容将多余电荷存储以便转移,操纵开关闭合,将锂电池模组中容量较高的单体电池中的多余能量储存至电容中,再通过电容传输至容量较低的单体电池中.由操纵开关S1、S2闭合电池B2,将具有较高容量的B2电池中的多余电荷传输到电容中,然后操纵开关S1、S2连接电池B1,将电容中存储的电荷转移到较低容量的电池B1中,最终达到电池组的均衡.

图 2

Fig. 2

图 2 电容均衡充电模块原理 Fig. 2 Schematic diagram of the equalizing charge module

5 kW电池模组BMS主控模块的主要任务为:完成采集板与总系统控制模块之间的通讯,电池充放电切换功能实现,电池荷电状态估计、数据处理,实现电池均衡和热管理,数据写入.为了增加程序的可维护性,方便今后的扩展和程序移植,采用C语言编写.采用模块化设计思路,软件设计流程如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 软件设计流程 Fig. 3 Flow chart of software design

常用的电池荷电状态估计方法有^{[4, 5]}电流积分法、电池内阻法、开路电压法和端电压、端电流综合法.本文从电路集成度、所选择的微控制单元和实现算法的难易程度等实际情况出发,经实验,以按时计量法和开路电压法为基础,补偿了每个影响要素,选取了一个综合方案对电量进行估计.

电池荷电状态系统软件流程如图 4所示.本文采用按时计量法和开路电压法进行电池荷电状态估计.

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图 4 SOC系统软件流程 Fig. 4 Flow chart of SOC system software

其实现过程为:首先,在采集板上传的电池电压数据中得到最小值作为开路电压估计的依据,因为电压最小的电池决定了整个电池组的容量;另外,对由主控板收集的电流数据作积分,可得出电池荷电状态

该方法的难点在于精确确定SOC₀.本文采取极端状况以确定初次使用时SOC,也就是将整个电池组充电直到充电终止电压或放电直到放电终止电压的极端状况,设SOC为1或0.系统在第二次及之后上电时,管理系统将记录电池模组静置时长.若静置时长超过理论要求时长,将采用开路电压法,精确测出单体电池端压,获得实际的SOC.并且,管理系统会将断电时的SOC存进系统当作修正SOC的参考,即关机时开路电压(OCV)稳定,可反映此刻电池的SOC,于是可利用OCV校正初始SOC;若OCV不稳定,无法由此精确校正电池的SOC时,则继续采用前一次关机时刻得到的SOC当作此时初始SOC.

在电池组工作过程中估计电池荷电状态时难以避免地将出现诸多误差,而当误差累积到某一程度时,就需要对电池荷电状态进行初始化.初始值可由充放电期间的极端状况确定.除此之外,在电池荷电状态估计中,要充分考虑温度、寿命等因素电池荷电状态的影响,进而增加校正因子校正SOC.

本文CAN总线的软件设计可分为三个板块:CAN总线初始化、接收和发送数据、CAN总线检错机制.因此选用SJA 1000作为CAN总线接口电路的重要组成^[6],SJA 1000需在硬件复位上电的同时进行初始化系统软件,使其数据通讯可顺利进行.初始化主要步骤为SJA 1000在复位模式时调整总线配置寄存器,调整总线速率、驱动输出引脚模式、总线模式时钟分频.本文的总线设计中,主控板、采集板以及CAN数据发送均采取查询模式,数据接收则采取中断模式.

本文CAN总线中,SJA 1000工作于BasicCAN模式,包括溢出数据中断、过失中断等五种中断方式,其中溢出数据中断和过失中断可用于检错机制,通过中断处理CAN总线错误.

在硬件设计与软件设计的基础上,对系统功能进行初步调试.采取电容均衡方式进行均衡,以充电均衡为例进行说明.充电均衡策略为:充电时,当电池电压达到设定电压(2.4 V)后,且当电池组单体电池之间的压差超过设定值(30 mV)时,开启均衡功能,对电压最高的电池实行放电;当电池组单体电池之间的压差小于10 mV时,停止均衡,形成一个迟滞回环.为了快速验证均衡功能,选用了一块微短路电池进行实验.该电池的状态为充放电均极快,充电时上升至2.6 V的用时为正常电池的50%,而放电时电压下降速率为正常电池的2倍.将其与编号为B1~B5及 B7~B10等九个单体锂离子电池串联进行充放电均衡实验.电池端电压均衡前、后的比较如表 1所示,表中B6为微短路电池.

表 1 Table 1

表 1 中文标题 Table 1 英文标题 编号 均衡前 均衡后 均衡优化率/% 电压/V 与设定电压之差/V 电压/V 与设定电压之差/V B1 2.404 0.004 2.402 0.002 0.08 B2 2.406 0.006 2.403 0.003 0.13 B3 2.457 0.057 2.402 0.002 2.29 B4 2.410 0.010 2.403 0.003 0.29 B5 2.399 0.001 2.400 0.000 0.04 B6 2.913 0.513 2.398 0.002 21.29 B7 2.420 0.020 2.408 0.008 0.50 B8 2.409 0.009 2.403 0.003 0.25 B9 2.473 0.073 2.405 0.005 2.83 B10 2.402 0.002 2.402 0.001 0.04

表 1 电池端电压均衡前、后的比较 Table 1 Batteryvoltage comparison before and after voltage balance

实验数据表明,B6均衡前电压远高于其它电池,B3、B9的均衡前电压略高于设定值,开启均衡后其电池电压很快下降到平均值,并且在充电过程中,其它电池电压均有所增加;均衡后每个电池的电压趋近相等,满足设计要求.

本文对大功率电池组管理系统工作原理进行了详细介绍.根据其原理,阐述了采用价格低廉、低功耗的MSP430型单片机设计一款5 kW锂电池模组BMS的设计思想与实现途径.通过实际运行比较,配备有基于MSP430单片机设计的锂电池模组BMS完成了模块中单体电池电压、电流的采集,电池荷电状态估计,单体电池的均衡和主控系统的通讯,自身充放电开启和关闭等功能,实现了高精度、高稳定性的大功率锂电池模组的管理.