1、船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 48 基于数字均流的基于数字均流的电池模块并联电池模块并联管理系统管理系统设计设计 李 围，赵 胜，李霞林，张 丹（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要：针对大容量锂离子电池模块并联放电的均衡需求，本文设计了基于数字均流的电池模块并联管理系统。该系统根据监测到的电池模块状态信息，实现了电池系统的状态评估、安全保护和充放电均流。通过放电试验，验证了该系统的均流性能。关键词：数字均流 管理系统 锂电池系统 中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-00048-04 Desig
2、n of parallel management system for battery modules based on digital current sharing Li Wei,Zhao Sheng,Li Xia Lin,Zhang Dan(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,CSSC,Wuhan 430064,China)Abstract:Aiming at the balanced requirement of parallel discharge of large-capacity lithium-ion battery mo
3、dules,this paper designs a parallel management system for battery modules based on digital current sharing.According to the monitored battery module status information,the system realizes the status evaluation,safety protection and charge-discharge current sharing of the battery system.Through the d
4、ischarge test,the current sharing function of the system is verified.Keywords:digital current sharing;management system;lithium battery system 0 引言引言 目前，锂离子电池已经广泛运用到能源、汽车、航天1等等各个领域和行业之中。为提高电池组的成组效率，采用多个电芯并联提高单模块容量的方式是一个重要的方向。由于电池本身的特点，在大容量的电池模块并联时模块之间的不均衡性必然存在。根据短板效应，电池组的充放电容量取决于电池模块中容量最低的那个，不同容量的电池
5、模块并联必然会造成电池组的充放电效率降低，同时也会影响电池组的循环寿命。为了提高电池组的充放电效率，模块之间的均衡控制必不可少。随着新能源产业的不断发展，数字均流技术2-3得到极大发展，在电源系统中得到广泛的应用。电池系统也是一种电源系统，数字均流同样也可以应用于电池模块。收稿日期：2022-05-23 作者简介：李围（1988-），男，工程师。研究方向：电池管理系统和电源控制。E-mail：liwei_ 1 系统总体结构设计系统总体结构设计 本系统应用于大容量多模块并联电池系统，电池均衡管理系统采用数字均流的方式实现模块间的均衡，每个模块配置一个控制器，可以利用模块之间的通讯技术完成信息传递
6、。由于不存在模拟电平的均流母线，干扰小，均流可靠性得以提高。并且很容易做到单个模块工作异常，不干扰整个并联系统。数字均流技术的优点4：（1）降低了硬件电路设计难度，避免额外增加的元器件可能会引发的种种问题，较模拟均流技术相比有更好的可靠性。（2）易于在并联系统中实现先进的非线性算法，如滑模控制算法，预测控制算法，模糊控制算法等，使系统性能更好。（3）通用性强，便于移植，不必改变硬件电路就能够实现控制系统的升级。（4）可以通过通讯端口对电源系统实行远程Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 49 监控，方便出行故障时及时进行查询与诊断。2 系统硬件设计系统硬件设计 本设计采
7、用 ARM 架构 LPC2378 作为主控芯片5，该芯片最大频率 72M，IO 口丰富，支持 8路 10 为的 AD 采样，支持 SPI、CAN、以太网、485 以及其它常用的通讯方式，可以满足多样化的设计要求。硬件部分主要包括充放电开关电路、单体电压采样电路、MOS 管检测电路、电流采样、温度采样、CAN 通讯和输出控制电路，其系统框图见图 1 所示。图 1 系统框图 2.1 单体电压采样 单体电压采样使用标准的差分放大电路进行采集，输出信号直接到 MCU 的 AD 采样部分，具体电路如图 2。OPA1V-4A+3A-2B+5B-6OPB7V+8U13LM25810KR2410KR321KR
8、1910KR2710KR2810KR3010KR31220pFC24104C23220pFC30VCC5B-B+BAT DET 图 2 单体电压采样电路 2.2 充放电开关电路 主回路开关选择 MOS 管作为控制开关，但是功率 MOS 管的耐压与内阻成反比，为了满足该项目的电流输出，我们必须合理选择 MOS 的耐压与内阻，同时采用合理的保护措施。本项目特殊点在于，电池模块之间是并联关系，所以在其中一个模块有问题，MOS 管切断时，由于其他模块的电压钳位，关断的 MOS 管不承受系统总压，为这个电路的实现提供了良好的条件。同时 MOS 开关响应迅速，可以通过控制 MOS管的内阻，改变模块的输出电
9、流。充放电开关电路见图 3。图 3 充放电开关电路 2.3 MOS 管检测电路 MOS 管检测电路主要功能为主回路 MOS 管Vds 电压检测，采样使用比例电路进行采集，输出信号直接到 MCU 的 AD 采样部分。具体电路见图 4。OPA1V-4A+3A-2B+5B-6OPB7V+8U13LM2581KR1810KR2510KR29104C17Vds DETQ100IRFB3077VCC5B-图 4 Vds 电压采样电路 2.4 温度采样 温度采样使用普通的 NTC，电路上进行分压处理，MCU 的 AD 采样部分对电压进行计算，软件计算出对应的电阻，根据 NTC 的 RT 表，软件上通过查表的
10、方式找到对应的温度值。具体电路见图 5。10KR44.7KR7104C5VREF2.5AD T1T1 图 5 温度采样电路 2.5 电流采样 电流采样使用对采样电阻进行采集，输出信号直接到 MCU 的 AD 采样部分。中间部分使用TI 的差分隔离放大器，此放大器精度高，隔离效果好；后级再次经过差分放大电路进行二次处理。具体电路见图 6。2.6 CAN 通讯 船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 50 CAN 通讯使用标准的收发器外部电路及隔离部分的接口，隔离电压可达 2500VDC，外部电路可以有效的抵抗共模干扰，消除 CAN 总线对地差分的高频分量的干扰。具体电路见图
11、 7。VDD11GND14VINN3VINP2GND25VOUTN6VOUTP7VDD28U15AMC1200OPA1V-4A+3A-2B+5B-6OPB7V+8U16LM25830KR3510RR367.5KR3810RR397.5KR4030KR41220pFC32220pFC33220pFC361mR*10VCC5CVCC5VREF1.25VCC5VREF1.25REF1.25CUR SAMPLEQ200IRFB3077 图 6 电流采样电路 VDD11GND14VIB3VOA2GND25VOB6VIA7VDD28U3ADum1201TXD1RXD4VCC3GND2VREF5CANL6C
12、ANH7RS8U4TJA1050L1ACT45B9R1R10NCR119R1R1322pFC1022pFC11VCC5VCC5FVCC5FCANRXCANTXCANHCANL123TV4NUP2105LT 图 7 CAN 通讯电路2.7 输出控制 控制部分采用 MCU 输出 PWM 波，经过滤波电路输出一个相应的稳定电压值，从而相应的开启对应 MOS 回路的控制。此电路的优势为：（1）输出阻抗高，避免了 MOS 开关的峰值需求电流影响。（2）经过一个特殊的反相器电路，可以对滤波的相位进行调整，使滤波后的电压纹波更小，响应更快。（3）可以根据电流采样值，软件内部形成反馈逻辑，更改 PWM 波对应
13、的占空比实现 MOS控制端 Vgs 电压的调整，从而限制控制回路内阻，增大或减小整个单模组电池的总内阻，将多路并联情况下的电池组对应的均衡充放电调整。具体电路见图 8。B-1mR*10240RR23240RR261-2+348U12ATLV90027-6+548U12BTLV9002NC1A2GND3Y4VCC5U8SN74LVC1G14DBVRNC1A2GND3Y4VCC5U14SN74LVC1G14DBVR4.7KR174.7KR344.7KR204.7KR37104C15104C16104C31104C29104C34VCC5VCC5VCC5VCC5DCHG PWMCHG PWMQ100
14、IRFB3077Q200IRFB3077 图 8 输出控制电路 3 软件设计软件设计 3.1 软件功能 本管理系统软件功能主要包括：1）检测电池温度、电压与电流；2）分析电池组状态与存储数据；3）充放电开关控制，包括保护控制和均流控制；4）对上位机 CAN 通讯。软件具体功能设计如下：依据上位机指令与电池状态判断，控制充电回路断开与闭合，并调节占空比调整电池模块输出。依据上位机指令，测量各电池单元内单体电池电压与单元温度，并通过 CAN 总线上传至上位机。实时测量与定期存储电池组的工作数据。评估电池状态，发生故障时相应的故障码报送至上位机。电流积分进行 SoC 估算。3.2 软件结构与执行设计
15、 本系统软件基于嵌入式操作系统（c/OS-）6开发，分为硬件驱动层、嵌入式操作系统层、CAN 协议层与电池组检测应用层。软件层图如图9 所示。管理系统上电后，初始化并进行系统自检，创建任务，系统按优先级调度任务。任务处理结构流程如图 10 所示。Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 51 图 9 软件层图 图 10 软件基本结构图 通过对系统的需求分析和功能定义，将软件主要划分为 4 个任务，分别是：T1：CAN 通讯任务，优先级最高。用于接收发送指令，并作相应处理；T2：开关控制任务，优先级低于 T1。根据与上位机通讯收到指令以及根据采集信息对电池组进行状态判断，控制
16、充电/放电开关。T3：电池检测任务，优先级低于 T2。采集电池数据、判断故障，并处理。获取电池检测数据，后对数据处理进行SoC计算与电池组故障状态判断；T4：数据存储任务，优先级最低。对电池组数据进行存储。4 均衡管理测试均衡管理测试 本文以两组电池组并联放电使用为例，搭建均衡单元测试平台和均衡系统实验平台，对电池管理系统的并联均流功能电流。放电测试，母线放电电流 100 A。表 1 电池组均衡测试（电池组 1 变化，电池组 2 不变）电池组 1 占空比%电池组 2 占空比%电池组 1 电流(A)电池组 2 电流(A)总电流(A)100 100-49-50.3-99.3 96 96-48.8-50.2-99 95 96-47.2-52.3-99.5 90 96-38-61.3-99.3 85 96-10.2-88.9-99.1 80 96-0.7-99.4-100.1 75 96 0.2-102.5-102.3 70 96 1.7-100.6-98.9 50 96 1.9-101.2-99.3 通过下表 1、2 放电测试数据可以看出，通过改变电池组输出特性可以改变电池组放电电流，从而达
