磷酸铁锂电池组三级管理系统的开发与应用

刘学鹏， 郝晓红， 张东升

(1.中山职业技术学院机械工程系，广东中山528404；2.华南理工大学机械工程学院，广东广州510641；3.成都电子科技大学机电学院，四川成都611731；4.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

磷酸铁锂电池组三级管理系统的开发与应用

刘学鹏1,2， 郝晓红3， 张东升4

(1.中山职业技术学院机械工程系，广东中山528404；2.华南理工大学机械工程学院，广东广州510641；3.成都电子科技大学机电学院，四川成都611731；4.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

以驱动汽车的磷酸铁锂电池作为研究对象，对磷酸铁锂电池组的模拟数据侦测处理、三段式硬件平衡电路、多芯电池组的SOC凸优化算法、动态平衡，故障诊断、系统间通信进行讨论，每段电路采用菊花链通信，级联方式进行电池管理拓展。通过底层采集数据，中间层处理数据，用户层负责显示状态故障等，建立三级管理系统。

三级管理系统；三段式硬件平衡电路；SOC；磷酸铁锂电池；凸优化

我国大城市的大气污染已不能忽视，燃油汽车排放是主要污染源之一。电动汽车废气排出比燃油汽车减少92%～98%。电力可以从多种一次能源中获得。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。电动汽车将会慢慢成为汽车发展的一种趋势和必然。

作为可充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染[1-3]。

LiCoO2电池充电容差值只有0.1 V，而LiFePO4的充电容差值达到0.7 V，LiFePO4过充发热值为90 J/g，LiCoO2过充发热值为1 600 J/g，LiFePO4无电路板保护的最大值达到30 V，LiFePO4电池与铅酸电池一致，但同时没有铅酸电池的污染性。

采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池特别在大放电率放电(5～10放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。

锂离子电池组在应用过程中往往需要串并联连接，多个单体电池组成的电池组如果没有管理系统的精确控制，则存在着安全性和性能快速下降的风险。本文从实现平衡控制、故障诊断、电池组自动级联、磷酸铁锂电池组SOC模型以及与之相匹配的参数识别算法、硬件拓扑电路着手，建立三级管理系统平台，为电池的管理提供一整套方案和产品。

1 三级管理系统

本文以驱动汽车的磷酸铁锂电池作为研究对象，开展针对磷酸铁锂电池组的模拟数据侦测处理、硬件拓扑电路和多芯电池组的参数识别、动态平衡，故障诊断、系统间通信和系统应用软件平台的研究，建立三级管理系统。

电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统方法，包括三级管理系统模块、电池组三段硬件拓扑模块(首段电路，中间段电路和尾端电路模块)、数字信号处理模块、SOC技术模块、平衡电流判定模块、模拟层数据采集模块。

三级管理系统模块如图1，包括：底层的管理是直接面向电池组，各种参数的精度决定着上层控制的效果，精度控制、硬件管理、电池组识别、通讯方式是这一层的主要内容；在中间层中，主要的作用是向上下级传递信息、数字信号处理、底层模拟数据在本层中进行转换，同时进行必要的补充算法，得到实时数据后，中间层处理任务较多，包括SOC算法、平衡算法、电池状态管理；在最上层的用户层中，状态和故障显示是其主要功能，具体包括每个电池组下单芯体电压、温度、故障状态等实时显示，同时与汽车行车电脑进行连接。

图1 三级管理系统模块

2 电池组三段硬件拓扑模块

首段电路模块负责6-12电池管理，主要处理6-12电池，首段电路与中间段之间采用菊花链的通讯。图2是具体电路，其中B0-12为电池组接入端，VC为电池电压测试点，CB0-12电池充放电均衡点，Q1-12为MOS管充放电开关，当检测到某个电池组充放电结束时，MOS管自动开关从而过渡到相邻的电池组。

图2 首段电路

中间电路模块主要的作用是向上下段传递信息，通信规格采用菊花链。DAIZY UP组负责与尾端电路模块通信，传递温度和控制信号；DAIZY DN组负责与首段电路进行电路通信，传递各种检测参数。COM组主要负责通信波特率和通道选择。EXTIN1-4组负责采集各种温度值，中间模块可以添加任意个，构成级联模式。

尾端电路模块主要负责下位机与微机的信号传递，具体信号包括每个电池组下单芯体电压、温度、故障状态等，其中通信规格采用菊花链。DAIZY UP组负责与尾端电路模块通信。SCLK、C S 、DIN、DOUT、EN、D ATREADY、 F AULT端口组成微机接口组，COM组主要负责通信波特率和通道选择，EXTIN1-4组负责采集各种温度值。

3 SOC模块与平衡技术

电池管理中一个重要内容是对电池组及单体电池的运行状态进行动态监控，精确测量电池的荷电状态SOC(state of charge)。由于电池组工作方式的特殊性，电池组荷电状态SOC的测定很困难。本文采用图3所示的模块进行分析：首先从实验中提取数据，充放电设备验证电池的一致性，采用WDCF-3800蓄电池充放电综合测试仪进行测试，不同电压、电流和温度下SOC值不同，充放电周期也对SOC产生影响，平衡处理发生在充电80%处，充电平衡时间发生在80%×2.5=2 h处，容量为10 Ah，每个周期的平衡纠错处理为0.05 Ah，平衡电流为25 mA。经过几个周期后两个电池达到平衡。

图3 SOC模块与平衡技术流程图

内阻法、积分法分析实验数据得到实测SOC曲线，理论方程采用非线性模型进行迭代输出SOC，最后进行修正。

式中：f[SOC(k)]为电池SOC的函数；d(k)、t(k)为充放电系数、温度系数。± V为充放电的参数，加号为充电情况，减号为放电情况。采用前馈神经网络凸优化算法进行参数识别。算法输入量为SOC，I；输出量为v、d、R、。

凸优化算法：含有一个隐层的前馈网络的运行方式可以表示如下:

惩罚项为：

三层前馈网络的隐层输出公式：

式中：μ为学习率；γ()为隐层输出。平衡硬件电路利用上面的三段式结构，参考SOC、温度、电流、电阻等参数，完成电池组的三级均衡系统技术。

4 实验

不同温度下的电池电压值如图4所示，充放电的电压差值基本稳定在30 mV。图5表明电池单体的差异在20 mV左右，很好地解决了电池均衡性问题。

图4 不同温度下电压值

图5 相比第3节的其他电池电压

5 结论

开展针对磷酸铁锂电池组的模拟数据侦测处理、硬件拓扑电路、多芯电池组的参数识别、动态平衡、故障诊断、系统间通信、系统应用平台的研究，建立三级管理系统，实验结果表明在SOC算法、平衡算法、电池状态管理方面具有很好的性能，与汽车行车电脑进行连接可以构成智能控制系统。

[1]田美娥.轻型汽车技术[J].电动汽车发展趋势，2010(11):255-256.

[2]王军平，陈全世，曹秉刚，等.电动车用镍氢电池模块的充放电模型研究[J].西安：西安交通大学学报，2006，40(1):50-52.

[3]吴铁洲.HEV锂离子电池组管理关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2010:8.

Research on LiFePO4battery 3-class management system for electric vehicle

The 3-class of LiFePO4battery for electric vehicle was studied.The simulated data was detected and processed.The 3-section hardware circuit was proposed to balance charging and discharging.The daisy chain was utilized to each communication and cascade connection was used to extend the battery group. The SOC was estimated and corrected by convex optimization.The data was collected from the lower class,processed by the middle class,and monitors condition was displayed through Interface class,then 3-class management system was built.

3-class management system;the 3-section hardware circuit;SOC;LiFePO4;convex optimization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2108-02

2015-03-13

国家自然科学基金项目(51075321；61106107)

刘学鹏(1975—)，男，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向为机电一体化。