【鋰電池SOC均衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4700字（論文）】

鋰電池SOC均衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u23874鋰電池SOC均衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1298134.1硬件設(shè)計(jì) 1205854.1.1主控板電路設(shè)計(jì) 2134004.1.2均衡模塊電路設(shè)計(jì) 8194164.2軟件設(shè)計(jì) 9315784.2.1主程序設(shè)計(jì) 928144.2.2均衡子程序設(shè)計(jì) 10166484.3仿真驗(yàn)證 10291154.3.1驗(yàn)證平臺(tái)搭建 1087314.3.2驗(yàn)證結(jié)果與分析 114.1硬件設(shè)計(jì)均衡系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)電池運(yùn)行過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，包括電池組的電流，單體的電壓、溫度等，當(dāng)今電子電力的快速發(fā)展出現(xiàn)了很多多功能集成的IC芯片和高精度的傳感器，配合相應(yīng)的外圍電路可以滿足信號(hào)采集的需求。本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)均衡系統(tǒng)集電池組參數(shù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制、數(shù)據(jù)通訊等功能于一體，相當(dāng)于一個(gè)小型的電池管理系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，減少均衡模塊高頻電流產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)信號(hào)采集精度的影響，采用“主-從”式分布架構(gòu)，主控板包含主控單元和前端芯片，前端芯片可實(shí)時(shí)采集電池組及單體的狀態(tài)參數(shù)，主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并利用串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。均衡系統(tǒng)的整體方案如圖4.1所示。圖4.1均衡系統(tǒng)整體方案4.1.1主控板電路設(shè)計(jì)（1）主控芯片MC9S12XDP512微處理器運(yùn)算速度快，總線頻率高，內(nèi)置512KB閃存，32KB的RAM。與HS12系列相比，增加了172條操作指令，性能有了很大的提升。另外還具有一個(gè)協(xié)處理器XGATE，頻率高達(dá)100MHz，可實(shí)現(xiàn)中斷、通信等的預(yù)處理，以及多任務(wù)并行處理。其主要功能框圖如圖4.2所示，根據(jù)主動(dòng)均衡系統(tǒng)的功能需求，電流、溫度等模擬信號(hào)經(jīng)過A/D接口，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，控制或驅(qū)動(dòng)信號(hào)則由PWM模塊或I/O輸出，經(jīng)過專門IC隔離放大后驅(qū)動(dòng)均衡電路。圖4.2MC9S12XDP512功能框圖主控芯片正常運(yùn)行所必備的基本外圍電路稱為最小系統(tǒng)，MC9S12XDP512的最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和BDM調(diào)試接口電路。本文使用一個(gè)12V的直流電源模擬車載供電，而主控芯片供電電壓為5V，因此使用TLE4275芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該芯片可穩(wěn)定輸出5V電壓，精度達(dá)2%，具備異常情況下的關(guān)斷保護(hù)功能，TLE4275外圍電路如圖4.3所示，發(fā)光二極管用于標(biāo)識(shí)系統(tǒng)通電與否，濾波電容用于穩(wěn)定輸出電壓。圖4.3電源電路（2）前端芯片圖4.4AD7280A功能框圖AD7280A是ADI公司開發(fā)的一款疊層鋰離子電池通用監(jiān)控芯片，單片AD7280A即可完成4~6節(jié)電池的監(jiān)控管理，其內(nèi)部的高壓輸入多路復(fù)用器主要用于測(cè)量鋰電池單元的電壓，而輔助ADC輸入通道可用來測(cè)量溫度。AD7280A可選擇經(jīng)過2次、4次或8次電壓測(cè)量值或輔助通道測(cè)量值的均值輸出，均值轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)寄存器輸入引腳同樣可接受六節(jié)電池，具備動(dòng)態(tài)提醒功能。主芯片通過SPI與AD7280A主器件通信，各AD7280A通過菊花鏈連接。AD7280A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與主要功能如圖4.4所示，AD7280A電壓采樣外圍電路如圖4.5所示。相鄰的兩個(gè)VINX引腳之間連接保險(xiǎn)絲、0.1μF電容以及10KΩ電阻，0.1μF電容與10KΩ電阻構(gòu)成低通濾波器，截止頻率為80Hz，用來濾除高頻干擾，保險(xiǎn)絲和10KΩ電阻用于保護(hù)AD7280A，防止電壓、電流過大損壞芯片。默認(rèn)采用400ns采集時(shí)間，此時(shí)采集和轉(zhuǎn)換的總時(shí)間為1us。圖4.5電壓采樣外圍電路AD7280A利用低壓輔助ADC通道AUX1至AUX6進(jìn)行溫度釆樣，外圍電路圖如圖4.6所示。在電池上表面貼上熱敏電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低，相應(yīng)地A/D采樣得到地電壓會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而換算得到對(duì)應(yīng)地溫度。相關(guān)關(guān)系式如（4-1）~（4-3）所示。RTVADCRx其中，B為材料常數(shù)，RN與RT分別代表常溫及溫度為T時(shí)的熱敏電阻值，VAUXx表示采樣電壓數(shù)字量，圖4.6溫度采樣電路（3）電流采集電路目前應(yīng)用較多的電流測(cè)量傳感器有兩種，一種是利用串聯(lián)分流電阻進(jìn)行電流的測(cè)量，另一種是基于霍爾電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電流的測(cè)量，參數(shù)對(duì)比如表4-1所示。分流電阻多采用錳銅合金材料，溫漂系數(shù)小，成本低廉且檢測(cè)精度很高，缺點(diǎn)是直接串于高壓回路，沒有隔離，電阻兩端的壓降很小，對(duì)電壓檢測(cè)的精度要求很高。而霍爾式電流傳感器與高壓回路隔離，測(cè)量范圍廣，響應(yīng)速度快，但是精度較低，高精度的霍爾電流傳感器成本比較高昂。表4-1霍爾電流傳感器與分流電阻對(duì)比類型型號(hào)阻值精度額定輸出額定電流溫飄工作溫度分流電阻CSLB1000.5mΩ0.1%50mV100A5ppm-55~125℃霍爾效應(yīng)CHB-125P--0.6%125mA125A100ppm-25~85℃考慮到試制所用電池最大持續(xù)放電電流的限制，本文選擇基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器ACS712ELCTR-20A-T作為電流檢測(cè)芯片，其電流檢測(cè)范圍為±20A，靈敏度γ為100mV/A，輸出誤差1.5%，幾乎不受溫度影響。電路圖如圖4.7所示，電流由1、2端輸入，3、4端輸出，VOUTVOUT圖4.7ACS712外圍電路ACS712出廠前已經(jīng)進(jìn)行過高精度的校準(zhǔn)，為了確保測(cè)量準(zhǔn)確，使用前再次對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定過程中在-20~+20A之間，每隔2A來對(duì)電池組進(jìn)行充（放）電，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-3所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)電流與采集電壓進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖4.8所示，即可得到ACS712輸入電流與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(4-5)所示：VOUT表4-3標(biāo)定電流及ACS712輸出電壓標(biāo)定電流/A輸出電壓/V標(biāo)定電流/A輸出電壓/V-200.520802.5150-180.659600.7208-160.937442.9272-141.074162.1288-121.304383.3076-101.5024103.5055-81.7061123.7178-61.9078143.8437-42.1045164.1709-22.3204184.3111標(biāo)定電流(A)圖4.8電流標(biāo)定擬合曲線（4）隔離前端芯片AD7280A工作在模擬高壓端，而主控芯片工作在數(shù)字低壓端，并且很多采樣線要拉到遠(yuǎn)端電池，浪涌電流可能會(huì)通過這些導(dǎo)線進(jìn)入主電路，從而損壞低壓控制電路，不能及時(shí)控制外設(shè)動(dòng)作，因此在底端AD7280A主器件使用SPI接口與主控芯片通信及控制報(bào)警的CS、SCLK、SDI、SDO、CNVST、PD和ALERT等信號(hào)需要進(jìn)行高壓電流隔離，以便保護(hù)低壓控制端。本文的隔離電路如圖4.9所示。圖4.9隔離電路原理圖（5）通信前端模擬芯片AD7280A通過SPI與主控芯片通信，主控芯片與上位機(jī)采用SCI串口通訊。SPI（SerialPeripheralInterface）是串行外設(shè)接口的縮寫，具有高速、同步、全雙工的特點(diǎn)，它可以使外圍設(shè)備與MCU之間通過串行通信達(dá)到交換信息的目的，且只占用4個(gè)芯片引腳，既節(jié)省資源，也方便PCB布局布線，如圖4.10所示。圖4.10SPI通訊原理圖SCI串口通訊，硬件接口簡(jiǎn)單，只需RXD、TXD兩根數(shù)據(jù)線，外加一根GND地線就可工作，數(shù)據(jù)發(fā)送端和接受端都有緩沖寄存器，只要發(fā)送端連接到接收端就可以開始工作，程序簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。單片機(jī)與PC計(jì)算機(jī)由于供電差異，SCI通信時(shí)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，普遍采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，依照RS232接口電氣標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，外圍電路圖如圖4.11所示。圖4.11串口外圍電路

4.1.2均衡模塊電路設(shè)計(jì)（1）驅(qū)動(dòng)電路MOSFET是電壓型控制器件，其柵-源之間有輸入電容，在快速PWM控制時(shí)要求有充電尖峰電流和放電尖峰電流使極間電容快速充放電，加速開關(guān)過程，因此無法直接與單片機(jī)控制端口連接，通常要使用專門的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此外由于均衡主電路電壓均為高電壓、大電流情況，而控制單元為低電壓、弱電流，所以必須進(jìn)行隔離，既可保護(hù)弱電控制電路，又能提高系統(tǒng)抗干擾能力。本文設(shè)計(jì)最高控制頻率為14KHz，綜合考慮采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片TLP250，其主要性能參數(shù)如表4-4所示。表4-4TLP250性能參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值電源電流11mA（最大）電源電壓10~35V輸出電流±2.0A開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間0.5uS隔離電壓2500Vrms完整的驅(qū)動(dòng)電路如圖4.12所示，PWM控制信號(hào)由2號(hào)管腳輸入，3號(hào)管腳接地，限流電阻取470Ω，在VCC與GND之間接一個(gè)0.1uF的陶瓷電容，其作用是使TLP250內(nèi)部的高增益放大器工作穩(wěn)定。TLP250的供電電壓范圍為+10V~35V，因此采用汽車常用供電電壓+12V進(jìn)行供電。圖4.12TLP250外圍電路（2）均衡電路基于Cuk與反激DC/DC變換器的復(fù)合均衡電路如圖4.13所示，各元件參數(shù)與本文第三章設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致。場(chǎng)效應(yīng)管的G-S極間的電阻值是很大的，這樣只要有少量的靜電就能使G-S極間的等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，MOS管在開關(guān)狀態(tài)工作時(shí)，柵極在反復(fù)充、放電狀態(tài)，如果在此時(shí)關(guān)閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)：一種是放電狀態(tài)，柵極等效電容沒有電荷存儲(chǔ)；另一個(gè)是充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充滿狀態(tài)。圖4.13均衡電路原理圖4.2軟件設(shè)計(jì)4.2.1主程序設(shè)計(jì)主程序用于協(xié)調(diào)各個(gè)模塊子程序的運(yùn)行，各個(gè)子程序相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方案可以使程序簡(jiǎn)明易讀，方便調(diào)試和修改，便于移植。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4.14所示。首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括主控芯片與前端芯片初始化，之后主程序提取前端芯片采集的數(shù)據(jù)估算SOC，均衡控制模塊判斷電池不均衡狀態(tài)，若需要均衡，則查詢得到優(yōu)化后的均衡電流，主程序則使能PWM模塊，調(diào)節(jié)相應(yīng)開關(guān)的控制頻率，使均衡電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的均衡電流，隨后循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到均衡閾值。圖4.14主程序4.2.2均衡子程序設(shè)計(jì)依據(jù)前文所述的控制策略，均衡子程序根據(jù)電池的兩種狀態(tài)分別進(jìn)行不同的處理方式。當(dāng)系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，程序首先獲取到所有的單體電壓，然后計(jì)算電壓均值。當(dāng)平均電壓高于4.1V，說明電池組總體上接近充滿狀態(tài)，只需要按照均衡電壓容差執(zhí)行均衡；當(dāng)平均電壓低于4.1V，而部分單體電壓高于4.1V時(shí)，為了抑制高電壓?jiǎn)误w的電壓增加速度，只對(duì)高于4.1V的單體進(jìn)行放電，并同時(shí)對(duì)電壓低于均衡容差下限的單體進(jìn)行充電；當(dāng)電池組中所有單體都低于4.1V時(shí)，對(duì)所有端電壓高于均值10mV的單體放電均衡，對(duì)所有端電壓低于10mV的單體充電均衡，本文將這種控制方式稱為“均值容差均衡”。充電過程中均衡子程序流程圖如圖4.15所示。圖4.15充電均衡子程序流程圖當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)，均衡首要目標(biāo)是迅速使電池組達(dá)到均衡狀態(tài)，直接進(jìn)行端電壓均值容差均衡。4.3仿真驗(yàn)證4.3.1驗(yàn)證平臺(tái)搭建基于前文設(shè)計(jì)的主動(dòng)均衡分布式硬件系統(tǒng)方案，采用PADSLayout分別對(duì)主控板與均衡板PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)，打板試制后搭建的主動(dòng)均衡系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)主要由以下部分構(gòu)成：6單體串聯(lián)電池組、充放電測(cè)試一體機(jī)、主動(dòng)均衡系統(tǒng)主控板與均衡板、PC端labview上位機(jī)、萬用表、示波器等設(shè)備。圖4.16主動(dòng)均衡系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)充放電設(shè)備采用新威爾公司生產(chǎn)的BTS-60V40A電池測(cè)試一體機(jī)，在主動(dòng)均衡過程中，其電流正負(fù)引出接口與電池組總正總負(fù)相連，用來實(shí)現(xiàn)充放電工況。主控板通過電池端接口、熱敏電阻接頭、PWM輸出接頭、SCI接口分別與電池組、均衡板、上位機(jī)相連，均衡板通過PWM輸入接頭、電池端接口分別與主控板和電池組連接。示波器與萬用表用來對(duì)重要信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，方便硬件電路的調(diào)試。通過上述設(shè)備搭建起來的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可以完成串聯(lián)電池組充放電的全過程監(jiān)測(cè)控制，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)均衡系統(tǒng)對(duì)減小電池組中各單體電池不一致性的效果。4.3.2驗(yàn)證結(jié)果與分析控制策略部分對(duì)電池組充電和空閑狀態(tài)分別做了不同的處理，對(duì)兩種情況分別進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。（1）充電均衡實(shí)驗(yàn)首先用電子負(fù)載將不同單體進(jìn)行不同程度地放電，然后靜止2小時(shí)，此時(shí)各單體電壓基本穩(wěn)定，測(cè)量不同單體電壓，電壓分布如表4-5所示。充電均衡過程中的各單體電壓變化趨勢(shì)如圖4.17所示。表4-5充電均衡前各單體電壓值單體編號(hào)12