基于MMC的锂电池管理器研究

张曌，谢少军，曹赟

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

基于MMC的锂电池管理器研究

张曌，谢少军，曹赟

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

研究了一种基于MMC（modular multilevel converter）的锂电池管理器，该管理器能将充放电控制和电池均衡管理统一在同一变换器内部完成，解决了传统电池管理器将充放电控制器和电压均衡电路相互独立而使电路较为复杂的问题。首先分析了变换器的工作原理，以12 V电池包为例设定了功能需求，并依此设计了控制策略与能量管理策略，相应地得到了控制框图与控制器的程序流程图；然后设计了实验样机，进行了关键参数的设计；最后，对设计结果进行了仿真分析和实验验证。仿真结果表明该管量器能够实现双向电流控制、输出稳压控制和单体电池均衡，验证了上述分析和设计的正确性。实验验证了双向充放电电流控制与稳压环控制的可行性，而单体电池的长期电压均衡仍有待进一步实验验证。

电池管理系统；模块化多电平变换器；电流控制；电压均衡

引言

锂电池具有能量质量比高、单体电压高、使用寿命长、无污染、无记忆效应的优点，在移动电话、便携式计算机、UPS等场合受到广泛应用［1-3］。由于锂电池自身材料特殊，其对充放电的要求较高，锂电池的充放电管理的研究对安全、高效使用锂电池具有重要意义。

通常，锂电池管理器一般由充电电路、放电电路和监测管理三部分组成［4］。充电和放电电路分别对锂电池的充电过程和放电过程进行电流和电压的限制，防止发生过充、过放或者过流现象；监测管理电路对电池本身的电压、温度、容量等参数进行监测报告。另外，对于由多个电池单体串联的锂电池组，管理器还应具备单体电池的电压均衡功能，避免因单体电池失效而导致整体报废，从而延长整体电池组的寿命。

现有的单体电压均衡方案均为在充放电电路外另加均衡电路［5-12］，电路种类较多，较为复杂。文献［13］将模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）结构应用于高压超级电容储能系统场合，并分析了其控制策略和工作特性，指出了其具有双向功率流、模块化、电压自动均衡等特性。

在此基础上，本文提出了一种将模块化多电平变换器MMC结构应用于锂电池管理器的解决方案，能将充放电控制和电池均衡管理统一在同一变换器内部完成，简化了系统结构。

1　锂电池管理器实现方案

1.1管理器结构

管理器由功率电路、控制电路和辅助电源三部分组成，其结构如图1所示。图中，N个半桥子模块、输出侧电感L和电容C共同构成MMC电路，作为主功率电路，同时兼具保护动作功能；控制电路由采样电路、MCU控制器电路、驱动电路等组成；MCU具有可编程功能，用于实现各环路计算、充放电功能、保护功能等。

图1　基于MMC的电池管理器主要结构Fig.1 Main structure of the battery manager based on MMC

1.2变换器的工作原理分析

该电池管理器的主电路如图2中所示，依次串联的各半桥子模块、输出侧电感L和滤波电容C1构成了MMC拓扑，uo作为电池管理器的输出端口，各半桥桥臂通过一个LC滤波器连接单体电池。LC滤波器的作用是滤除由开关动作造成的电流尖峰。

图2　电池管理器的主电路Fig.2 Main circuit of the battery manager

各半桥子模块内上下开关管驱动互补。使用载波移相调制策略，模块间上开关管驱动依次相移360°/N（N为子模块数目），前3个子模块的上开关管的驱动波形如图3所示。此调制策略使得变换器电感L上的电流纹波最小，可以有效减少所需的电感量，从而控制体积重量。

1.3管理器的控制设计

为了设计变换器的控制策略，必须首先明确管理器需要完成的功能。以一个12 V/2 A的电池包为例，设定其需完成的功能：①接受系统指令，实现充放电控制；②放电时，12 V稳压输出，最大限流1C=2 A；③充电时，正常电流1C=2 A，涓流充电电流：0.1C=0.2 A；④充放电时，单体电池电压均衡。

图3　移相调制波形Fig.3 Waveforms of phase shift modulation

上述功能可分解为3个控制功能，即双向充放电电流控制、单体电池电压均衡和稳压放电控制。

变换器充放电电流大小和方向的控制可以通过控制输出侧电感电流大小和方向来实现。相应地，控制器中需要一个电流闭环来实现输出侧电感电流的精确快速控制。电流闭环的输出为基本占空比，可以实现电池电压均衡时的电流控制。

另外，为了实现单体电池电压均衡，还需要设计N个单体电压均衡环。单体电压均衡环的输出为微调占空比，通过对基本占空比的微调实现单体电池电压均衡。文献［13］中通过数学上的分析计算，证明了当各电压均衡环产生的微调占空比代数和为0时，电流闭环和电压均衡环之间可以实现解耦。由上，可以实现单体电池电压均衡与双向充放电电流控制。最后，为了实现稳压放电控制，需要添加一个电压外环。当管理器处于放电状态时，电压外环的输出作为电流环的电流参考。

基于以上分析，该变换器的主要控制策略如图4所示。图中，iL为输出侧电感电流瞬时值，iLref为输出侧电感电流参考值，GI为电流环控制器，实现电流环控制；ubt1～ubtn为各单体电池电压瞬时值，uaver为ubt1～ubtn的平均值，sign（iL）为iL的方向，Gsh为电压均衡环控制器，实现电压均衡控制。uo为电池包输出电压瞬时值，uoref为输出电压参考值，GU为电压环控制器，输出作为放电时的电感电流参考值iLref，实现放电稳压控制。d1～dn为各子模块上开关管的占空比。

图4　基于MMC的模块化控制策略Fig.4 Modular control strategy based on MMC

1.4控制器的程序设计

以保证锂电池安全工作为前提，结合管理器的功能设定，设计了相应的能量管理策略，并依此设计了变换器控制器的程序流程。

主程序流程如图5所示。首先，电池管理器接受系统控制指令，进入周期较长的无尽循环。循环中，首先读取收到的控制指令，并获取电池的当前荷电状态SOC（state of charge），据此判断是否为充放电指令：①如果为充电指令，再判断是否有电池过压、欠压状态。若有，相应地进入“停止工作”和“涓流充电”状态；若无，进入“正常充电”状态。②如果为放电指令，再判断是否有电池欠压。若有，进入“停止工作”状态；若无，进入“正常放电”状态。③如果既非充电指令，又非放电指令，则认为系统出错，进入“停止工作”状态。

图5　主程序流程Fig.5 Flow chart of the main program

当主程序判定为“正常放电”、“正常充电”或“涓流充电”这3种工作状态时，管理器的主电路开始工作。主要控制功能在中断服务程序ISR（interrupt service routine）中实现。

中断服务程序的流程如图6所示。控制器按开关周期定时进入中断服务程序，以更新开关管PWM驱动占空比，控制变换器工作。

图6　中断服务程序流程Fig.6 Flow chart of the ISR program

在中断服务程序中，首先获得主程序判定的工作状态和当前ADC采样结果，并依此判断是否需要保护。如果需要，则关断所有开关管，停止工作；如果不需保护，进行变换器的工作流程。依据主程序判定的工作状态，得到相应的电感电流参考值，然后进行电流环计算、电压均衡环计算，最后更新PWM占空比，输出PWM驱动。

2　设计实例

2.1关键参数设计

为了验证上述分析和设计的正确性，在12 V/2 A电池包的功能需求上补充了设计参数。该实例结合了小容量的锂电池进行方案研究验证，应用范围也可以扩展至大容量的锂电池组。

主要设计参数如下：单节锂电池规格为3.6 V/ 1 800 mAh，其最大工作电压范围为2.75～4.35 V，电池包外部端口电压范围为9～14.4 V，最大充放电设计电流有效值为2 A；半桥子模块数目N=6；开关频率fs=10 kHz。据此设计主电路参数如下。

（1）开关管耐压为单体电池最大端电压4.35 V，则上下开关管的最大电流有效值分别为

另外考虑一定的安全裕量，选取Vishay公司生产的SiA920DJ型MOSFET。该型MOSFET主要参数：VDSmax=8 V，IDmax=4.5 A。

（2）输出侧电感最小值计算公式为

式中：rL为电感L上的纹波率；Deq=DN-DN，x为不大于x的整数。

（3）输出侧电容最小值计算公式为

式中：ΔUc为电容C的纹波率。

由此，电容选择4.7 μF/16 V的电解电容。

2.2调制电路设计

本文对各单体电池电压ubt1～ubt6和输出端电压uo使用了电压调理电路，对输出侧电感电流iL使用了电流调理电路，以获得符合MCU内置ADC需要的输入电压范围，其简要框图如图7所示。

3　仿真和实验验证

图7　调理电路简要框图Fig.7 Simple block diagram of the conditioning circuit

为了验证上述分析和设计的正确性，首先在Saber软件环境下搭建了仿真模型。主电路各元件参数与上述设计一致。其中，ubt1～ubt6分别设定为4.0，4.0，3.9，3.9，4.1和4.1 V，以模拟电池电压不均的情形。

分别设定控制目标为输出侧电感电流IL=-2 A和2 A（定义管理器放电时符号为正），且单体电池电压均衡。由此得到的仿真结果分别可见于图8和图9，图中展示了输出侧电感电流波形和所有子模块串联后电压波形。由此可以看出，当锂电池电压初始时刻不均时，输出侧电感电流能够满足控制目标，同时单体电池电压也能均衡。

图8　锂电池充电时的主要仿真波形（输出电压不控）Fig.8 Key simulation waveforms at charging without output voltage controlled

图9　锂电池放电时的主要仿真波形Fig.9 Key simulation waveforms at discharging

设定控制目标为放电、输出侧电压=12 V，且单体电池电压均衡。由此得到的仿真结果可见于图10，图中展示了输出电压波形、输出侧电感电流波形和所有子模块串联后电压波形。由此可以看出，当锂电池电压初始时刻不均时，输出电压能够满足控制目标，同时单体电池电压也能均衡。

图10　锂电池放电时的主要仿真波形（输出电压控制）Fig.10 Key simulation waveforms at discharging with output voltage controlled

在仿真验证之后，根据设计结果搭建了实验样机，进行实验验证。

图11为放电时，在控制输出端电压12 V、不同负载电阻时的输出侧电压和电感电流波形。图11（a）为负载电阻9.6 Ω时的放电电压波形，此时由于负载较小，可以达到控制目标。图11（b）为负载电阻5.2 Ω时的放电电压波形，此时由于负载较大，变换器无法控制输出电压为12 V，电压控制环饱和，电流环工作在最大电流参考值2 A处。由此证明了上文设计的电压环与电流环能够相互配合，实现了稳压与电感电流控制的目标。

图11　放电时输出侧电压和电感电流波形Fig.11 Waveforms of output voltage and the inductor current at discharging

图12为控制充电电流分别为涓流充电下的0.2 A和正常充电下的2 A时的输出侧电感电流波形。由图可见，控制目标能够基本达到，证明了设计电流环的可行性。

综上，该电池管理器能够实现基本的充放电以及稳压放电的功能，但是其充放电的控制精度有待优化。另外，电池电压的长期均衡效果有待进一步验证。

图12　充电时的输出侧电感电流波形Fig.12 Waveforms of the inductor current at charging

4　结语

本文研究了一种基于MMC的锂电池管理器。该电路结构具有模块化、多电平、电流双向可控的特点，同时各单体电池之间的电压可以自动均衡。仿真结果验证了上述分析，证明了该方案的可行性。实验结果验证了管理器双向充放电控制以及稳压输出控制的可行性，长时间均衡效果仍有待后续实验验证。

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Research on Lithium Battery Manager Based on Modular Multilevel Converter

ZHANG Zhao，XIE Shaojun，CAO Yun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A Lithium battery manager based on modular multilevel converter（MMC）is researched.The charging/discharging control and voltage balance management are unified inside one single converter instead of two independent ones，which solves the problem of complex circuits.The operating principle are analyzed.The function requirements are set according to the example of a 12 V battery pack.Control strategy and energy management strategy are designed accordingly，then the control block diagram and program flowchart are obtained.Afterwards，an experimental prototype and its key parameters are designed.Eventually，simulations and experiments are conducted.The simulation results indicate the bidirectional charging/discharging current control，output voltage control and the voltage balance can be realized，and the above-mentioned analysis and design methods are verified.The bidirectional charging/discharging current control and output voltage control are be realized in the prototype，while the long-term performance of voltage balance still needs to be tested.

battery management systems；modular multilevel converter（MMC）；current control；voltage balance

张曌

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.89

TM 46

A

张曌（1993-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：功率电子变换技术，E-mail：zhao.zz.zhang@nuaa.edu.cn。

谢少军（1968-），男，教授，博士生导师，研究方向：功率电子变换技术和航空电源，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。

曹赟（1993-），女，硕士研究生，研究方向：功率电子变换技术，E-mail：6265 83946@qq.com。

2015-12-01

国家自然科学基金资助项目（51477077）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477077）