【锂电池SOC均衡控制系统设计4700字（论文）】

锂电池SOC均衡控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u23874锂电池SOC均衡控制系统设计 1298134.1硬件设计 1205854.1.1主控板电路设计 2134004.1.2均衡模块电路设计 8194164.2软件设计 9315784.2.1主程序设计 928144.2.2均衡子程序设计 10166484.3仿真验证 10291154.3.1验证平台搭建 1087314.3.2验证结果与分析 114.1硬件设计均衡系统功能的实现依赖于对电池运行过程中的各个参数进行实时采集，包括电池组的电流，单体的电压、温度等，当今电子电力的快速发展出现了很多多功能集成的IC芯片和高精度的传感器，配合相应的外围电路可以满足信号采集的需求。本文设计的主动均衡系统集电池组参数采集、状态监测、均衡控制、数据通讯等功能于一体，相当于一个小型的电池管理系统，为了保证系统具有良好的扩展性，减少均衡模块高频电流产生的电磁干扰对信号采集精度的影响，采用“主-从”式分布架构，主控板包含主控单元和前端芯片，前端芯片可实时采集电池组及单体的状态参数，主控单元进行数据处理并利用串口与上位机进行数据交换。均衡系统的整体方案如图4.1所示。图4.1均衡系统整体方案4.1.1主控板电路设计（1）主控芯片MC9S12XDP512微处理器运算速度快，总线频率高，内置512KB闪存，32KB的RAM。与HS12系列相比，增加了172条操作指令，性能有了很大的提升。另外还具有一个协处理器XGATE，频率高达100MHz，可实现中断、通信等的预处理，以及多任务并行处理。其主要功能框图如图4.2所示，根据主动均衡系统的功能需求，电流、温度等模拟信号经过A/D接口，转化为数字量，控制或驱动信号则由PWM模块或I/O输出，经过专门IC隔离放大后驱动均衡电路。图4.2MC9S12XDP512功能框图主控芯片正常运行所必备的基本外围电路称为最小系统，MC9S12XDP512的最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路和BDM调试接口电路。本文使用一个12V的直流电源模拟车载供电，而主控芯片供电电压为5V，因此使用TLE4275芯片进行电压转换，该芯片可稳定输出5V电压，精度达2%，具备异常情况下的关断保护功能，TLE4275外围电路如图4.3所示，发光二极管用于标识系统通电与否，滤波电容用于稳定输出电压。图4.3电源电路（2）前端芯片图4.4AD7280A功能框图AD7280A是ADI公司开发的一款叠层锂离子电池通用监控芯片，单片AD7280A即可完成4~6节电池的监控管理，其内部的高压输入多路复用器主要用于测量锂电池单元的电压，而辅助ADC输入通道可用来测量温度。AD7280A可选择经过2次、4次或8次电压测量值或辅助通道测量值的均值输出，均值转换结果存储寄存器输入引脚同样可接受六节电池，具备动态提醒功能。主芯片通过SPI与AD7280A主器件通信，各AD7280A通过菊花链连接。AD7280A的内部结构与主要功能如图4.4所示，AD7280A电压采样外围电路如图4.5所示。相邻的两个VINX引脚之间连接保险丝、0.1μF电容以及10KΩ电阻，0.1μF电容与10KΩ电阻构成低通滤波器，截止频率为80Hz，用来滤除高频干扰，保险丝和10KΩ电阻用于保护AD7280A，防止电压、电流过大损坏芯片。默认采用400ns采集时间，此时采集和转换的总时间为1us。图4.5电压采样外围电路AD7280A利用低压辅助ADC通道AUX1至AUX6进行温度釆样，外围电路图如图4.6所示。在电池上表面贴上热敏电阻，其阻值会随着温度的升高而降低，相应地A/D采样得到地电压会发生变化，进而换算得到对应地温度。相关关系式如（4-1）~（4-3）所示。RTVADCRx其中，B为材料常数，RN与RT分别代表常温及温度为T时的热敏电阻值，VAUXx表示采样电压数字量，图4.6温度采样电路（3）电流采集电路目前应用较多的电流测量传感器有两种，一种是利用串联分流电阻进行电流的测量，另一种是基于霍尔电磁感应原理进行电流的测量，参数对比如表4-1所示。分流电阻多采用锰铜合金材料，温漂系数小，成本低廉且检测精度很高，缺点是直接串于高压回路，没有隔离，电阻两端的压降很小，对电压检测的精度要求很高。而霍尔式电流传感器与高压回路隔离，测量范围广，响应速度快，但是精度较低，高精度的霍尔电流传感器成本比较高昂。表4-1霍尔电流传感器与分流电阻对比类型型号阻值精度额定输出额定电流温飘工作温度分流电阻CSLB1000.5mΩ0.1%50mV100A5ppm-55~125℃霍尔效应CHB-125P--0.6%125mA125A100ppm-25~85℃考虑到试制所用电池最大持续放电电流的限制，本文选择基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712ELCTR-20A-T作为电流检测芯片，其电流检测范围为±20A，灵敏度γ为100mV/A，输出误差1.5%，几乎不受温度影响。电路图如图4.7所示，电流由1、2端输入，3、4端输出，VOUTVOUT图4.7ACS712外围电路ACS712出厂前已经进行过高精度的校准，为了确保测量准确，使用前再次对其进行标定，在标定过程中在-20~+20A之间，每隔2A来对电池组进行充（放）电，实验数据如表4-3所示，对实验电流与采集电压进行曲线拟合，结果如图4.8所示，即可得到ACS712输入电流与输出电压的对应关系如式(4-5)所示：VOUT表4-3标定电流及ACS712输出电压标定电流/A输出电压/V标定电流/A输出电压/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标定电流(A)图4.8电流标定拟合曲线（4）隔离前端芯片AD7280A工作在模拟高压端，而主控芯片工作在数字低压端，并且很多采样线要拉到远端电池，浪涌电流可能会通过这些导线进入主电路，从而损坏低压控制电路，不能及时控制外设动作，因此在底端AD7280A主器件使用SPI接口与主控芯片通信及控制报警的CS、SCLK、SDI、SDO、CNVST、PD和ALERT等信号需要进行高压电流隔离，以便保护低压控制端。本文的隔离电路如图4.9所示。图4.9隔离电路原理图（5）通信前端模拟芯片AD7280A通过SPI与主控芯片通信，主控芯片与上位机采用SCI串口通讯。SPI（SerialPeripheralInterface）是串行外设接口的缩写，具有高速、同步、全双工的特点，它可以使外围设备与MCU之间通过串行通信达到交换信息的目的，且只占用4个芯片引脚，既节省资源，也方便PCB布局布线，如图4.10所示。图4.10SPI通讯原理图SCI串口通讯，硬件接口简单，只需RXD、TXD两根数据线，外加一根GND地线就可工作，数据发送端和接受端都有缓冲寄存器，只要发送端连接到接收端就可以开始工作，程序简单，调试方便。单片机与PC计算机由于供电差异，SCI通信时需进行电平转换，普遍采用MAX232电平转换芯片，依照RS232接口电气标准实现电平转换，外围电路图如图4.11所示。图4.11串口外围电路

4.1.2均衡模块电路设计（1）驱动电路MOSFET是电压型控制器件，其栅-源之间有输入电容，在快速PWM控制时要求有充电尖峰电流和放电尖峰电流使极间电容快速充放电，加速开关过程，因此无法直接与单片机控制端口连接，通常要使用专门的驱动电路进行驱动，此外由于均衡主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为低电压、弱电流，所以必须进行隔离，既可保护弱电控制电路，又能提高系统抗干扰能力。本文设计最高控制频率为14KHz，综合考虑采用光耦隔离驱动芯片TLP250，其主要性能参数如表4-4所示。表4-4TLP250性能参数表参数名称参数值电源电流11mA（最大）电源电压10~35V输出电流±2.0A开关转换时间0.5uS隔离电压2500Vrms完整的驱动电路如图4.12所示，PWM控制信号由2号管脚输入，3号管脚接地，限流电阻取470Ω，在VCC与GND之间接一个0.1uF的陶瓷电容，其作用是使TLP250内部的高增益放大器工作稳定。TLP250的供电电压范围为+10V~35V，因此采用汽车常用供电电压+12V进行供电。图4.12TLP250外围电路（2）均衡电路基于Cuk与反激DC/DC变换器的复合均衡电路如图4.13所示，各元件参数与本文第三章设计参数保持一致。场效应管的G-S极间的电阻值是很大的，这样只要有少量的静电就能使G-S极间的等效电容两端产生很高的电压，MOS管在开关状态工作时，栅极在反复充、放电状态，如果在此时关闭电源，MOS管的栅极就有两种状态：一种是放电状态，栅极等效电容没有电荷存储；另一个是充电状态，栅极等效电容正好处于电荷充满状态。图4.13均衡电路原理图4.2软件设计4.2.1主程序设计主程序用于协调各个模块子程序的运行，各个子程序相对独立又相互联系，采用模块化的程序设计方案可以使程序简明易读，方便调试和修改，便于移植。主程序设计流程图如图4.14所示。首先要进行系统初始化，包括主控芯片与前端芯片初始化，之后主程序提取前端芯片采集的数据估算SOC，均衡控制模块判断电池不均衡状态，若需要均衡，则查询得到优化后的均衡电流，主程序则使能PWM模块，调节相应开关的控制频率，使均衡电路产生对应的均衡电流，随后循环执行，直至达到均衡阈值。图4.14主程序4.2.2均衡子程序设计依据前文所述的控制策略，均衡子程序根据电池的两种状态分别进行不同的处理方式。当系统处于充电状态时，程序首先获取到所有的单体电压，然后计算电压均值。当平均电压高于4.1V，说明电池组总体上接近充满状态，只需要按照均衡电压容差执行均衡；当平均电压低于4.1V，而部分单体电压高于4.1V时，为了抑制高电压单体的电压增加速度，只对高于4.1V的单体进行放电，并同时对电压低于均衡容差下限的单体进行充电；当电池组中所有单体都低于4.1V时，对所有端电压高于均值10mV的单体放电均衡，对所有端电压低于10mV的单体充电均衡，本文将这种控制方式称为“均值容差均衡”。充电过程中均衡子程序流程图如图4.15所示。图4.15充电均衡子程序流程图当系统处于空闲状态时，均衡首要目标是迅速使电池组达到均衡状态，直接进行端电压均值容差均衡。4.3仿真验证4.3.1验证平台搭建基于前文设计的主动均衡分布式硬件系统方案，采用PADSLayout分别对主控板与均衡板PCB进行设计，打板试制后搭建的主动均衡系统验证平台主要由以下部分构成：6单体串联电池组、充放电测试一体机、主动均衡系统主控板与均衡板、PC端labview上位机、万用表、示波器等设备。图4.16主动均衡系统测试验证平台充放电设备采用新威尔公司生产的BTS-60V40A电池测试一体机，在主动均衡过程中，其电流正负引出接口与电池组总正总负相连，用来实现充放电工况。主控板通过电池端接口、热敏电阻接头、PWM输出接头、SCI接口分别与电池组、均衡板、上位机相连，均衡板通过PWM输入接头、电池端接口分别与主控板和电池组连接。示波器与万用表用来对重要信号进行检测，方便硬件电路的调试。通过上述设备搭建起来的实验台架可以完成串联电池组充放电的全过程监测控制，验证本文设计的主动均衡系统对减小电池组中各单体电池不一致性的效果。4.3.2验证结果与分析控制策略部分对电池组充电和空闲状态分别做了不同的处理，对两种情况分别进行均衡实验。（1）充电均衡实验首先用电子负载将不同单体进行不同程度地放电，然后静止2小时，此时各单体电压基本稳定，测量不同单体电压，电压分布如表4-5所示。充电均衡过程中的各单体电压变化趋势如图4.17所示。表4-5充电均衡前各单体电压值单体编号12