基于SOC 主动均衡和健康诊断的电动自行车锂电池智能保护器

李晓峰，张珂，安安凯

（中国计量大学，浙江杭州，310018）

0 背景

电池均衡管理作为电池管理系统的核心之一，在解决电池组不均衡问题，使电池组中各单体电池的性能基本一致、最大化电池组的容量，确保电动自行车的续驶里程以及安全性等方面发挥着巨大的作用。所谓电池均衡就是在电池组充电、放电或者静置时，通过相应的电路拓扑对电池组中各单体电池进行能量释放或者转移以实现电池间能量均衡。

在庞大的单体电池串、并联组成的电池组，由于不一致性等原因，由于木桶效应个别特性较差、容量较小的电池单体会直接影响和电池组整体的容量大小和使用寿命。因此，研究一个具备均衡管理功能的电池管理系统显得尤为重要。作为监视电池组情况、保障电池组安全、提升电池组运行性能的重要举措。

电池均衡管理技术复杂、成本高，目前主要用于电动汽车，而对于目前社会保有量巨大的电动自行车市场，由于成本、体积等原因，鲜少用到电池均衡管理技术。因而，研究主动均衡型电动自行车锂电池智能保护器的意义不仅在于提高了锂电池的使用寿命，更提高了锂电池的安全性，面对发展迅猛的电动自行车市场，主动均衡型电动自行车锂电池智能保护器必将在未来的竞争中崭露头角。主动均衡型锂电池保护器能够智能均衡锂电池在充放电过程中的SOC，能够诊断单节电池的健康状况并实现数据的远程可视化，整体提高锂电池的能量转化效率、延长使用寿命，且整体成本经济、符合国家绿色环保的发展理念。产品将在锂电池保护器相关的领域有较大的应用前景和广阔的市场前景。

从电动自行车角度出发，一个优秀的电池均衡管理主要包括检测电路、均衡电路和保护电路等组成，如图1 所示。

图1 硬件电路原理示意图

下面我们分别来阐述各个电路的工作原理和设计。

1 检测电路设计

单体电池通过串联组成电池组，为均衡所需，需要对单个电池进行测量。为降低电路成本、简化电路结构，同时也增加可靠性，我们通过继电器切换实现单体的电压测量和均衡充电，其中利用单端接地的方法测量各单体电压，图1中任意一个继电器吸合时，可以把其中一个电池接入MCU里完成检测，避免的整个电池组的高电压对控制系统的损害，同时提高了测量的准确性。各单体两端继电器的控制通过4-16 线译码器间接实现，确保对电池单体的单一选择，保证均衡效率。K1～K3 为MOSFET 管功率开关，由单片机控制，防止电池组的过充和过放。

单片机外设4-16 线译码器，按照时间阶梯次序，单路选择某一路继电器打开，即测量单体电池采样每一节电池的参数。根据采集到的参数，单片机对电路中的功率管进行控制，达到SOC 均衡的效果检测电路如图2 所示。

图2 单体电压检测电路

电路基于能耗和单体电压测量的准确性考虑，采用MCU 控制继电器定时采集各单体电压。检测电路ADC 采样采用单端接地测量，直接测到单体独立电压，使测量更准确。该系统检测电路与均衡算法相结合，系统通过分析每次的采集数据，确定电池组状态和下次单体电压检测时间。

2 均衡电路设计

在锂电池的使用过程中，由于单体电池的性能不同，导致充放电效率不一致，智能锂电池保护系统采用主动均衡电路，将整体的电能经过DC-DC 给充放电过程中SOC 较低的单体，从而解决充放电效率不一致的问题，延长放电时间。

对比电池管理系统的均衡策略，无外乎电感型主动均衡、电容型主动均衡、DC-DC 型主动均衡。其中基于DC-DC 模型的主动均衡，通过设计合适的DC-DC 电路，极大地提高了均衡电流，从而保证了均衡的效率。

图3 为DC-DC 均衡电路，电路输入来自充电器，电动自行车一般为48V 输入，隔离输出为5V，采用高效率开关电源隔离模块，然后通过一个TP4056 锂电池充电芯片，给3.7V 单体锂电池均衡充电。

图3 DC-DC 均衡电路

3 保护电路设计

在电池使用和均衡充电过程中，电池的过放电和过充电，对锂电池的使用寿命和安全都是极其不利的，因而需设计过放过充保护电路，在电池使用和充电过程中，实时检测电池电压，保护电路如图4 所示。

图4 过充和过放保护电路

充放电过程中MCU 通过监测各单体电压判断电池SOC。当接近过充或过放时，MCU 立即给控制口加低电平，使三极管8550 导通，对应MOSFET 管Q16 的栅极接到地，进而源极和漏极不导通，切断电池组与充电器或电机的连接，实现对整个电池组的保护。

4 算法设计

在硬件设计制作完成并能稳定工作的情况下，开始软件设计，且对均衡的效果至关重要。我们采用的软件开发环境采用的 是STM32CubeMX 和Keil MDK5。STM32CubeMX是意法半导体推出的图形化配置工具，通过图形化的操作实现相关配置，生成C 语言代码，支持包括MDK 在内的多种工具链，可以大幅缩短嵌入式软件开发的时间。

为了方便程序调试和提高可靠性，软件采用前后台系统模型，主要由初始化程序、主程序、子程序、中断服务程序等组成，能够实时地响应事件，轮询处理任务。程序结构和流程图，分别如图5 和图6 所示。

图5 程序结构图

图6 程序流程

图7 充电主动均衡流程

图8 放电主动均衡流程

图9 锂电池的性能衰减趋势

SOC（State of Charge），即电池的剩余电量，也称为荷电状态。表示电池使用或长期搁置一段时间后，其剩余容量与总的可用容量的比值，常用百分数表示。对电池SOC 的准确估算，既是电动自行车估算续航里程最基本的要求，又是提升电池利用效率和安全性能的基本保证。

开路电压法是最简单的 SOC 估算方法，由电池的工作特性知，电池的开路电压与电池的SOC 间存在一定的对应关系，所以可以通过试验方法测得不同放电电流情况下电池端电压与电池 SOC的关系曲线。这样通过实时采样电池放电时的端电压，查表即可求得当前时刻电池的 SOC，该方法中还用电池的循环寿命及内阻对电池 SOC 进行补偿校正。该方法要求锂电池组需要静置一段时间，所以无法检测动态检测开路电压，无法用于动态电池的 SOC 估算。

安时积分法（也叫电流积分法或者库仑计数法）。即电池充放电时，通过累积充进和放出的电量来估算SOC。简化公式如下：

其中：Cmax：电池容量（Ah）；Inow：电流（A）；t：时间。

从公式(1)不难看出，该估算方法存在着误差，主要来源于三个方面：电流采样造成误差（采样精度、采样间隔）、电池容量变化造成误差（温度变化、电池老化、充放电倍率不同、电池自放电）、SOC（初始SOC 估算困难、最终SOC 过程取舍误差）。

为减小误差，在SOC 估计中引入卡尔曼滤波算法，根据当前仪器的“测量值”，上一刻的“预测量”，以及“误差”，来计算得到当前的“最优值”。把误差（预测误差和测量误差，通称为噪声）纳入计算，误差独立存在，不受测量数据的影响。最终将选择两种方法之一进行SOC 计算。

对于充放电状态，主动均衡流程如下：

在放电状态下，单片机定时对每一节电池的参数逐个采样。当某一节单体的电压接近下限电压或远低于平均值，开启DC-DC 对单体进行充电，当所有单体降到下限启动过放保护使电池组停止放电。

对于充电状态，单片机控制逐个充满单体电池。单片机定时对每一节电池的参数逐个采样。当某一节单体的电压接近上限电压，关闭继电器使DC-DC 对单体停止充电，当所有单体到达上限则启动过放保护使电池组停止充电。

同时引入基于异常点的主动均衡算法，可提高锂电池电压采样精度和均衡准确性。

阶梯定时采集的依据来自SOC 估计，通过建立电量消耗模型，估计电池放电量，进而修改测量间隔时间。对于接近下限电压或上限电压的单体，额外增加测量次数。

5 电池健康评估

每个型号锂电池都有其出厂的使用寿命和充放电次数，当电池组中某单体性能降到一定程度则需要更换该单体，以保证整体的平均性能。智能保护器根据电池初始寿命曲线，同时结合多次充放电的时间，电能储量，饱和电压等数据建立电池单体健康状况评估模型，以实现对电池性能的了解。

6 数据可视化的开发

通过蓝牙将单片机上的数据发送至手机。智能管理系统对电池的健康状况、电量、维护信息进行可视化。在遇到单节电池性能下降时，系统可以计算出电池最佳更换时间。让使用者清楚地看到电池的健康状况，以便于维修、更换、保养，并允许用户配置电池的管理方案，更加人性化。

7 实验结果和分析

实物完成后，我们进行了测试，用到的测试设备有：锂电池充电器、5 位半高精度万用表、模拟负载等。

实物及测试设备连接见图10。

图10 实物及测试连接

测量分两部分，首先是对单体电池电压采集测量，在SOC 主动均衡算法中，为了达到较好的均衡效果，对电压测量精度要求很高，一般要求测量精度在5‰以上，随机选择若干个单体电池测量，并用5 位半万用表作基准测量，结果如表1 所示。

表1 电压测量

以上误差范围均在5‰内。

在硬件稳定工作基础上，并完成算法设计，然后对均衡效果进行测量，采用同样的电池组，先普通不均衡充电一段时间，测量单体电池电压，再用均衡充电，测量单体电池电压，两者比对得出最终的结论，具体测量结果如表2 所示。

表2 均衡效果比对

根据以上比对测试，证明采用均衡充电的电池组，在充电结束后，各单体电池组电压相差不大，误差小于0.02V，而采用普通充电方式，在充电结束后，3 号单体电池和6 号单体电池，电压差达0.2V以上，个别电池在整个充电结束后，例如3 号单体电池电压超过4.2V，长期这样会影响寿命。

8 结论

应用SOC 主动均衡算法，针对单体电池的特性与特点制定保护方案，有效延长锂电池使用寿命。在电池组中，当电池差异较大时，可以区别对待每节电池的充放电方式。使用机器学习方法建立每节电池的传递函数，充电和放电过程都能够实现SOC 一致。

建立电池健康状况诊断模型，对整体电池组中的每个个体状况进行诊断，实现坏电的定位，预警和引导更换。

应用物联网技术，对锂电池使用状况进行监测，实现单体电池使用状况的可视化，使用者可以通过手机APP 清楚地看到电池的充放电状态、健康状况、电量等维护信息，便于更换电芯，更加人性化地解决了电池复杂的充放电保护问题。