基于单片机的锂电池组主动均衡设计

广东金华达电子有限公司 金 龙 陈 炜 叶宝图

0 引言

因单体电池内部特性及生产工艺的影响，单体电池之间无法完全做到一致，导致锂电池组在多次循环使用后，内部单体电池出现不同程度的电压差异。目前锂电池组对于过充过放的保护依据是单体电池的电压，根据木桶效应和电池特性，锂电池组的实际使用容量会越来越小，导致锂电池组续航时间越来越短，实际使用寿命比标称寿命大打折扣，造成较差的用户体验效果。为此，我们设计了一款主动均衡的锂电池智能管理模块，从而抑制锂电池组内部单体电池的电压差异扩大，并对其进行均衡管理，使单体电池间差异缩短。相较与传统的电阻耗散方式的被动均衡，主动均衡为能量转移式，能耗低，使锂电池组能量利用率高；并且主动均衡电流大，均衡能力强，均衡时间较被动均衡有明显的缩短，效率高,可大大提升电池组的使用寿命和用户的体验效果。

1 设计方案

通过电压测量及电流测量模块采集锂电池组工作状态，根据当前状态下最高最低电压的单体电池的差值与定值进行比较，同时结合当前锂电池组的充放电状态来控制均衡模块动作，每次动作都对最低电压的单体电池进行均衡充电，多次均衡后使锂电池组内部单体电池压差控制在设计值范围内。

1.1 硬件设计

本锂电池智能管理模块使用东软载波的单片机HR8P506，此MCU是一款基于32位高性能的ARM Cortex-M0内核，最高运行时钟达到48MHz，且片内集成有12位ADC模块、串口通讯模块、时钟模块等常用模块，可以满足本系统的性能指标要求。

本模块硬件包含：电源模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、MOS管控制模块、主动均衡模块、通讯模块等。其中电压、电流和温度测量模块所得数据将为其它模块提供数据支撑。图1是本模块的方案系统结构。

图1 方案系统结构

1.2 电压、电流测量

采样的精度及准确度决定了控制系统的策略和均衡调整效果。为保证每个单体电池电压的精度，同时受限于MCU采样端口数量的限制，我们采用继电器阵列方式，即每次通过继电器只选中锂电池包中某个单体电池进行AD转换采集数据。本系统所使用的MCU内部集成12位ADC模块，采样0～5V电压其精度可以达到2mV，足以满足锂电池的安全运行。

为使主动均衡具有更好的均衡效果，我们需要知道当前锂电池组的工作状态及对应的电流大小，以实时调整均衡策略，提高均衡效率及最大限度缩小单体电池的压差值。电流测量为取样电阻与运放相结合方式，由于电池工作状态下不仅有放电状态还有充电状态，两者采集的电信号极性相反，若不对信号作处理，则运放无法处理反相性号，采集的充电状态信号的数据势必会“截断”。故我们对采集的信号在输入运放前，需要对信号进行抬升，使其基电压不为零，MCU系统使用的电压等级为+5V，故我们需要抬升+2.5V电压，使充放电信号各占一半，确保信号能采集的情况下最大限度提升采集准确度。图2为电压测量设计方案，图3为电流测量设计电路图。

图2 电压测量设计方案

图3 电流测量设计电路

1.3 主动均衡模块

由DC-DC模块、继电器阵列及驱动部分组成，其中DC-DC模块取电为整个锂电池包电压，输出电压为6V，最大电流为3A。从均衡效率及安全性考虑，每次只能并且只允许选择一个单体电池进行均衡，防止多通道同时打开，可能出现导致电池短路等严重事故的发生。为保证模块长时间运行的安全可靠性，在DC-DC的输入输出部分均加入了保护元器件，如保险丝，热敏电阻等，可防止回路短路的现象，保障锂电池组的安全。

图4 主动均衡框图

1.4 软件设计

本设计采用C语言、模块化方式进行程序编写，利于后期硬件升级及程序维护。程序主要分为四部分：初始化、采样处理、保护动作、均衡控制，其中初始化包含MCU的配置、变量的初始值、外围电路的驱动配置。如图5程序主流程。

图5 程序主流程

单体电池最高电压与最低电压差值大于等于设置的定值参数时，就启动均衡控制，对当前最低电压的单体电池进行均衡，并结合当前锂电池组的工作状态调整均衡目标电压值，当均衡达到目标值时就暂停均衡，重新判断当前差值是否达到启动均衡的条件，如果是则继续选择最低电压的单体电池进行均衡，否则停止均衡，关闭均衡电路减少模块自身功耗，完成本次均衡控制任务。

图6 均衡流程

2 实验结果

本实验采用广东金华达新能源技术有限公司的20AH锰酸锂电芯，型号为KCC20R。挑选一批同批次、参数一致的单体电池，然后对单体电池进行不同程度的放电，使单体电池之间电压不一致，人为设置成有差值（最大压差504mV），再组合成一个16串锂电池包（型号KWD072020-161A01），并结合本设计方案的智能管理模块进行模拟电动摩托车充放电实验（充电电流3A，放电电流20A），表1为本次模拟实验多次充放电前后数据对比。可以看出，多次充放电后，电池趋于平衡，最大最小压差在28mV左右。

表1 均衡前后单体电压比较（mV）

图7 智能管理模块实物

3 结论

本文根据锂电池特性及生产工艺和被动均衡的缺陷，提出主动均衡方式对锂电池组内部单体电池进行快速均衡，提升电池组的使用寿命和用户的体验。

[1]阚宏林,肖亚平．一种多串锂电组全程主动均衡方法研究与设计[J]．电源技术,2012．36(9)∶1285-1286．

[2]宋海飞,曹亚,王艳．一种新颖的动力电池均衡方法研究[J]．电力电子技术,2013．(3)∶6-7,10．

[3]林佩君．串联电池组新型均衡充电系统的研究[D]．北京交通大学,2007．