基于bq78PL116的双向动态无损均衡管理系统设计

耿 楠

(安徽机电职业技术学院电气工程系， 安徽 芜湖 241000)

0 前 言

目前锂离子电池作为便携电源的应用越来越广泛，多个锂电池单体通过一定的串、并联的方式组成高电压、大电流的电池组，就可以应用于电压高、容量大的场合。实际应用中单体锂电池无法做到完全一致，这种不一致性会导致电池组中部分电池单体在使用过程中出现过充或过放的现象，长期的过充过放不仅使电池组的容量不能得到充分高效利用，严重时甚至会引起电池爆炸，缩短电池的使用寿命[1-2]。为了提高电池组能量的实际效能和保证电池的安全使用，对电池组内各单体电池采取有效的均衡措施非常必要。

对均衡控制策略和均衡电路拓扑结构的研究是电池组均衡技术两大方向[ 3]。科学的均衡控制策略首先要合理选择均衡变量，采用较多的有电池电压和荷电状态(SOC)等变量，由于锂电池充放电时的非线性和SOC值实时估算精度较低的原因，应用中很少使用。均衡模块主电路结构从能量损耗的角度分为耗散型和非耗散型，热点集中在对非耗散型均衡电路的研究，包括变换器型、隔离式变压型、电容型等多种拓扑结构。

本文选取搁置阶段的均衡变量为单体电池开路电压，充放电阶段的均衡变量为单体电池工作电压，提出基于储能电感型电路拓扑结构的双向动态无损均衡系统设计方案，采用可扩展电池管理控制器bq78PL116芯片制作了实验样机。结果表明该方案能高效地完成电池组的均衡管理任务。

1 系统总体结构

储能电感型双向动态无损均衡系统工作原理如下：电池管理控制器首先采集电池组内每节单体电池的电压，然后对采集来的电压数据加以处理，根据处理结果和所采取的控制策略，输出脉冲信号控制与相应单体电池连接的电力开关管的通断，从而以控制的差异接通和断开相应的充电或放电电路，实现能量的快速转移，有效降低电池组中相应单体电池的电压及SOC，达到电池均衡的目的[4]。

均衡管理系统硬件结构框图如图1所示，其硬件电路大体可分为电池管理控制器模块、扩展模块、电感型双向无损均衡模块、单体电池电压检测模块、电流检测模块、安全保护模块和SMbus通信电路等模块。

图1 均衡系统硬件结构框图

2 电感型双向无损均衡模块设计

电感型双向无损均衡模块主电路结构如图2所示，模块包括5个子电路(图中虚线框中部分)，可以完成6节电池单体的均衡功能[ 5]。子电路以Buck-Boost电路为基础，结构简单且扩展方便，在电池组单体节数发生变化时，略加改动便能满足要求。由于电池组串联节数过多会导致均衡时间增加，可将电池组分成若干个小组，并将一个小组看作一节单体电池，采用同样的拓扑结构来实现均衡，以缩短电池组均衡时间。若电池组数量较多时，还可采取再添加上层均衡模块的办法来实现。

2.1 均衡子电路结构

由图2可看到，Cell1和Cell2为相邻的2节电池，由与其连接的一个子电路实现均衡。L1为储能电感，R1为消磁电阻，Q1_a是N沟道电力场效应管，跨接在Cell2两端，Q1_b是P 沟道电力场效应管，跨接在Cell1两端。两只电力场效应管相互配合，控制相邻2节电池均衡充电回路的通断；D1_a和D1 _b是2个电力场效应管的二极管，构成均衡放电回路。每个均衡子电路的工作不受干路电流的影响，因此可在电池组充电、放电或搁置等任意阶段工作；另外均衡子电路中能量流动是双向的，可以同时对电池组中多个相邻的电池对进行充放电均衡，以便缩短均衡时间，提高均衡效率。

图2 均衡模块电路原理图

2.2 均衡子电路工作模态分析

均衡电路的拓扑结构不制约均衡变量的选取[ 6]，以电池工作电压E作为均衡变量，用Ei表示第i节电池的工作电压。假设E1>E2，且电压差值超过电池组不一致性设定值，要求采取均衡措施，均衡过程包括Cell1放电和Cell2充电和电感消磁3个工作模态。

图3 均衡子电路工作过程

(1)Cell1放电阶段。Cell1放电时，控制器输出驱动信号，使电力场效应管管Q1_b导通，Q1_b、L1和Cell1构成放电回路，放电电流方向如图3( a)所示。此时电感L1将电能转换为磁能并储存起来，电感两端电位b节点处为正，a节点处为负，放电电流从零开始逐渐增加到最大值。

(2)Cell2充电阶段。电力场效应管Q1_b关断后，储存于电感中的磁能释放，使电感中的电流仍维持原来方向，如图3(b)所示。这一阶段，电感两端电位a节点处为正，b节点处为负，电感相当于一个电源给Cell2充电，充电回路由D1 _a、L1和Cell2构成，充电电流从放电阶段的最大值开始逐渐减小，当充电电流减小到零时，充电阶段才完成。

(3)L1消磁阶段：在充电阶段由于回路中续流二极管D1 _a存在导通压降，以致充电结束时，虽然充电电流减小到零，储能电感L1中仍有部分磁能未完全释放而留有剩磁，为了保持电感的储能作用，必须进行消磁处理，即通过增设消磁电阻R1，将电感存储的剩余能量在电阻中消耗掉。这个过程中，续流二极管D1 _a反向截止，电力场效应管Q1_a可等效为它的输出电容C1，电池Cell2也可等效为一个大电容C2，如图3 (c)所示，消磁回路是由L1、R1、C1和C2等组成RLC衰减振荡电路，能够将电感L1中剩磁以谐振的方式快速消耗掉，使电感磁复位。

以上分析是E1>E2情况下的均衡子电路工作过程，控制连接于Cell1两端的电力场效应管Q1_b导通，通过电感的中间作用将能量是从Cell1传递给Cell2；如果E2>E1，则控制与Cell2相连的电力场效应管Q1_a导通，电路的工作过程与以上分析相同，能量是从Cell2传递给Cell1。由上述均衡子电路工作状态可见，该电路能够高效实现相邻单体间能量的双向转移。

2.3 均衡子模块电路仿真

为检验均衡子模块电路的工作效果，应用PSPICE软件搭建该均衡子电路仿真模型[7]，如图4所示。子电路中的电力场效应管采用Model Editor软件建立，使用脉冲电压源产生电力场效应管的控制信号，用恒压源代替锂离子电池，电路的阻抗由电阻R2和R3代替。

图4 均衡子电路PSPICE 仿真模型

图5 仿真波形

设定各元件参数如下：电力场效应管导通电阻为30 mΩ，体二极管导通压降VD取 0.8 V，L取10 μH，消磁电阻R1取20kΩ，线路电阻R2和R3取20 mΩ，Cell1的电压E1取3 V且认为在一次均衡过程中该值不变，Cell2的电压E2取2.9 V。仿真分析类型选择瞬态分析，设定运行时间为1ms，最大仿真步长1 μs。均衡工作周期取36 μs，占空比为50%的情况下，仿真波形如图5所示，图中自上而下分别为电力场效应管控制信号、电力场效应管漏极电压和电感电流变化情况。

仿真波形显示：在Cell1放电阶段，Q1_b导通，电感电流由从零开始逐渐增大到最大值，电感储存能量；Cell2充电阶段，电感电流从最大值下降到0的过程中，电感释放储能；在L1消磁阶段，电力场效应管漏极电压会出现衰减震荡，使电感磁复位。仿真的结果与以上对均衡子电路工作模态的工作原理分析相吻合。

3 均衡管理系统软件设计

均衡管理系统的主控制器需要对电池组内每节单体电池的电压、均衡充放电时的电流和电池温度进行采集和处理，数据的容量大、传输快，同时还要具有多路控制电力场效应管的PWM信号。根据系统以上要求，选用美国德州仪器公司的可扩展电池管理控制器bq78PL116作为主控芯片，与双电池监控器bq76PL102级联，扩展为可对6节锂离子电池均衡的管理系统[8]。

图6 均衡管理系统软件设计整总体流程图

图7 均衡控制子程序流程图

均衡管理系统软件主要程序模块有主程序和子程序，子程序又包括数据采集子程序、均衡控制子程序以及通信子程序，系统软件设计总体流程如图6所示。均衡管理系统加电后，首先系统初始化，接着对每个单体电池的工作电压、电流及温度信号进行采样，并把采集的数据传送到主控元件相应的内存中，再对数据进行处理，同时查询上位机有无数据请求指令，有则传送到相应的上位电池管理软件。如满足均衡条件并符合监管系统的判断结果，那么则操作均衡电路进行均衡处理，并进行数据检测，否则直接返回参数检测。在本均衡管理系统软件中，均衡控制子程序是整个软件系统的重心部分，均衡控制流程如图7所示。首先读取每节单体电池的电压Ei、检索出Emax(最大值)、Emin(最小值)，得出两者之差ΔV，由此判断电压差值是否超过均衡启动设定值Vset。如果大于Vset，则启动均衡管理，电压最高或最低的电池单体首先满足条件，从而对高电压电池实现顺向均衡，对低电压电池实行逆向均衡，如不满足均衡条件则退出均衡处理子程序。

4 实验分析

采用可扩展电池管理控制器bq78PL116制作了实验样机，电力开关管选择仙童公司的FDD8424型N&P沟道电力场效应管，其他元件按以上参数选择，并按上述均衡控制要求编写相应程序，编译并下载到主控芯片bq78PL116中。

实验先以两节电池为均衡对象，选择两块电压差为200 mV 的20Ah磷酸铁锂电池接入系统，利用示波器观察均衡模块电路工作情况，捕获到电力场效应管漏源电压和电感电流波形如图8所示。由此可见，均衡子电路工作状况能够实现该系统应有的功能。

图8 均衡模块电路工作波形

随后取6节20Ah 磷酸铁锂电池组成电池组进行搁置均衡试验，分别记录均衡前的电池电压值和均衡后的电池电压值(表1)，并对这两组电压值进行对比，结果是均衡前电池组内最大电压差为119 mV，均衡后降为7 mV，有效降低了电池组内电池单体的不一致性。

表1 搁置阶段均衡前后电池组电压数据对照表 V

5 结 语

锂电池单体的不一致性会影响电池组的使用效能，甚至会导致使用时的安全问题。本文采取在不同阶段选取适合的均衡变量，应用TI公司的可扩展电池管理控制器bq78PL116作为主控芯片，采用电感型双向无损均衡模块主电路结构，设计并制作了实验样机。实验结果表明，本文所设计的双向动态无损均衡管理系统可以有效完成对锂电池组的均衡与管理，为锂离子电池的推广应用提供了很好的解决方案。

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