李建辉 王彩申 林心笑

（1.东莞理工学院城市学院 2.东莞理工学院）

基于Buck-Boost锂离子电池组均衡电路设计*

李建辉1王彩申2林心笑1

（1.东莞理工学院城市学院 2.东莞理工学院）

针对锂离子电池组电池的不一致性，提出一种Buck-Boost锂离子电池组均衡电路方案。以MSP430F5529和电池管理芯片BQ20Z45为核心构建最大值法的均衡控制策略，实现单体电池荷电状态的一致。实验结果表明，均衡管理可解决荷电状态失配和容量/能量失配，从而改进串联锂离子电池组的性能。

电池管理系统；均衡管理技术；Buck-Boost型电源变换电路

0 引言

锂电池以高能量密度、高重复循环使用次数、重量轻和绿色环保等优点，逐渐成为新能源汽车的主要动力电池品种[1]。为满足车载能源系统电压和容量需求，需要大量的电池串并联。虽然电池组由同样规格的单体电池组成，但由于单体电池制造过程中性能的分散性和使用过程中电池组内部环境的非均匀性等原因，导致荷电状态不平衡，严重时，致使电池永久性损坏。因此保持动力系统电源的荷电能力，提高其安全性和寿命，均衡管理非常重要。

针对动力电池均衡系统的研究，有非能耗型均衡和能耗型均衡2类。非能耗型通过电容或电感类的非耗能元件实现能量转移；能耗型通过电阻消耗高出的电量以实现均衡[2]。近几年，国内外研究重点基本放在非能耗型均衡，主要有：对电路拓扑结构进行分布式DC-DC变换法[3]，成本高、控制复杂、技术要求较高；开关控制旁路电容的开关电容法[4]，结构简单，控制容易，均衡时间较长，不能检测单体电压，存在较强的电磁干扰；多绕组变压器法通过变压器绕组实现低电量电池在充电过程中吸收更多能量[5-6]，硬件构成简单，控制容易，但维修成本较高；ZCS和ZVS等软开关技术也引入了电池均衡研究[7-8]。均衡判据是电池均衡方法最关键的参数，判据主要为电压。目前有很多方法估计荷电状态（State of Charge，SOC），如安时法、开路电压法、卡尔曼滤波法以及这些方法的结合等。本文提出Buck-Boost型变换均衡法，结构简单，所需元件数较少；均衡策略以单体SOC为判据。每2节单体电池有1个独立的均衡单元，对数目小的串联电池组容易实现，均衡精度高、速度快。

1 系统设计

基于Buck-Boost拓扑结构电池双向均衡电路在多个锂离子电池串联中应用的电路如图1所示，每相邻2节电池需要1个均衡单元，每个均衡单元结构形式完全相同。因此，本文采用2节电池组进行研究与试验，其结果可直接扩展应用到多个锂离子电池串联应用系统。

图1 基于Buck-Boost拓扑结构电池双向均衡电路

基于Buck-Boost拓扑结构电池均衡电路系统总体框图如图2所示，由微处理器单元、电池管理单元、均衡单元、显示单元和通讯接口等组成。电池管理单元采集电池电压等模拟参数，模数转化后，对数据进行处理，储存在其内部的存储器内。微处理器通过SMBus总线，读取电池电压等信息，依据均衡控制算法输出PWM信号。PWM信号驱动均衡单元内功率开关工作，实现电池间能量转移。RS232C通讯接口可用于数据的自动记录，显示单元显示电池电压、电流、电池荷电状态等信息。

图2 均衡电路系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 均衡单元

基于Buck-Boost型的电池均衡单元由储能电感L1，肖特基二极管VD1、VD2和N-MOSFET开关管VT1、VT2组成。

电池B1向电池B2能量转换原理图如图3所示。其工作过程：当VT1 G端的PWM信号为高电平时，VT1导通，电感Ll从电池Bl汲取能量，电流通路Bl+ →VT1→ L1→Bl－→B1+；当PWM为低电平时，VT1关闭，电感Ll产生反向电动势且维持续流，二极管VD2导通，电感释放能量给B2以转移能量，电流依次流过以下通路L1 → B2+→B2－→VD2→L1，实现B1向B2能量转换。

图3 B1向B2能量转换原理图

B2向B1能量转换原理图如图4所示，其工作流程与B1向B2能量转换同理。

图4 B2向B1能量转换原理图

2.2 微处理器单元

本文采用MSP430F5529微处理器，其内部集成的外设或功能部件有：捕获/比较寄存器的16位定时器、12位ADC、2个通用串行通讯接口支持增强UART、IrDA、同步SPI、I2C、同步SPI等硬件，满足设计需求。本文由MSP430F5529 MCU与外围电路配合完成以下功能：1) 通过设置片内可编程捕获/比较寄存器的16位定时器TA0，产生2路10位PWM；2) 通过SMBus总线对电池组的电压进行采样、均衡管理；3) 均衡算法实现和均衡控制、驱动LCD显示屏，显示电池的电压、电流、SOC；4) 通过RS232C通讯接口，实现电池组工作状态数据自动记录及传输。

2.3 电池单体电压SOC检测

锂离子电池组均衡管理的前提是准确检测电池组中单体电池的电压。电池长时间静置时，估计开路电压和SOC关系的最普遍和准确的方法是开路电压法[9]。然而电池组中各节单体电池串联使用，电池两端存在共模电压，单体电压的检测不能采用直接采样的方法。

本文中，基于BQ20Z45的电池电压采样应用电路图如图5所示。电路主要由电压和温度测量网络、串口和取样电阻等组成。BQ20Z45芯片最多可测4节电池的电压，其有效分辨率为15位，测量偏差为10 uV，本文利用VC1和VC2脚监测电池包和单节电池电压。

图5 基于BQ20Z45电池电压采样应用电路图

2.4 驱动电路

均衡电路功率MOSFET的驱动是设计中需要特别注意的地方。由于所有的MOSFET和电池是非隔离的，有较高的共模电压，且每个MOSFET的电位不相等，因此，无法采用常用的方法将所有MOSFET的源极共电位，这样会造成电池直接短路。

本文选用IR2118作为驱动芯片。IR2118是专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器。它采用高压集成电路技术和无闩锁CMOS技术，可用于工作母线电压高达600 V的系统中。其输入与标准的CMOS电平兼容，输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术使其可直接驱动一个工作于母线电压高达600 V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET。来自MCU的PWM信号先经VT1电平转换（满足IR2118输入电平需求），加在IR2118的输入端，输出端驱动均衡单元的功率开关N-MOSFET。

3 均衡算法与软件设计

3.1 均衡控制策略

本文以2节锂电池作为研究对象，系统采用最大值法，设Vmax为电池组中单体电压最大值，Vmin为电池组中单体电压最小值，θ为设定的均衡启动电压阈值（10 mV）。当Vmax－Vmin＞ θ时，均衡模块将组中最高电压的单体电池对应的PWM开启，直到Vmax－Vmin≤ θ为止。这种均衡策略主要适用于绝大部分单体电池是均衡的、个别的单体电池电压太高或太低的情况。其优点是能量消耗相对较小，缺点是仅对其中一个单体进行操作，需要的均衡时间较长，均衡效率较低[10-11]。

3.2 均衡模块软件设计

本文的均衡管理算法流程图如图6所示。首先读取每节单体电池的电压Vi；然后电池电压满足Vmax－Vmin＞ θ的单体电池对应的PWM开启300 s（即均衡300 s)，停止6 s，使2节电池的电压稳定；最后读取每节单体电池的电压Vi，判断是否需要再次均衡。通过控制芯片打开各节单体电池相应的PWM通道，实现能量转移，这样可提高能量的转移率。

4 实验结果分析

4.1 电感电流波形

实测均衡单元中电感电流波形如图7所示。

图7 均衡过程电感电流波形

当|Vl-V2| ＞10 mV时，MSP430发出20 kHz的PWM波。当PWM为高电平时，Qn导通，电感Ll的电流Is流过电感线圈L，电感L开始储存电量，电感电流上升；当PWM为低电平时，Qn截止，电感L释放电量，电感电流下降，直至为0（DCM模式）。

4.2 均衡电路效果实验

以本文的电池组作为测试对象，对电池的充放电进行实时监测并记录数据。根据电池端电压实时监测的数据绘制充、放电均衡电压曲线图如图8(a)、8(b)所示。

充电均衡实验：充电前，V1为3272 mV，V2为2868 mV，电池组处于不均衡状态，电压差为404 mV。充电停止时，电压差缩小到10 mV左右，均衡效果明显。

放电均衡实验：放电前，V1为4123 mV，V2为3762 mV，电池组处于不均衡状态，电压差为361 mV。放电结束后，电压差缩小到10 mV左右，均衡效果明显。

图8(a) 充电均衡电压曲线图

图8(b) 放电均衡电压曲线图

5 结语

均衡管理技术是锂离子电池管理系统的核心内容之一，它可防止单体电池过充和过放，从而最大限度地延长电池的使用寿命，还保证动力电池充放电过程的安全高效。本文所设计的均衡管理模块，采用双向Buck-Boost型电源变换的均衡电路，结构简单，成本低，不仅精确地测量了单体电池的电压、SOC、系统的功耗电流和温度参数，且还能实时地进行均衡过程控制，有效地使各单体电池的能量趋于一致。但是，该均衡模块对单体电池的低功耗和效率还有待提高，均衡的功能还有进一步优化的空间。

[1] Cao J, Emadi A. Batteries need electronics[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2011, 5(1) : 27-35.

[2] Moore S W, Schneider P J. A review of cell equalization methods for lithium-ion and lithium-polymer battery systems[J]. SAE Publication, 2001,5(1) : 1-5.

[3] Markus Einhorn, Wolfgang Guertlschmid, Thomas Blochbeiger, et al. A current equalization method for serially connected battery cells using a single power converter for each cell[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(9):4227-4237.

[4] Lee Y S, Cheng M W. Intelligent control battery equalization for series connected lithium-ion battery strings[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005,52(5):1297-1307.

[5] Li S Q, Mi C C, Zhang M Y. A high-efficiency active battery-balancing circuit using multi-winding transformer[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013,49(1) :198-207.

[6] Kim M Y. A cell selective charge equalizer put converter with auxiliary transformer Asia[C]. The Shilla Jeju, Korea: IEEE, 2011:310-317.

[7] Lee Y S, Chen G T. ZCS bi-directional DC-to-DC converter application in battery e qualization for electric vehicles[C]. 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 20-25, 2004, Aachen, Germany, 2004: 2766- 2772.

[8] Lee Y S, Chen G T. Quasi-resonant zero-current-switching bidirectional converter for battery equalization applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2006,21 (5) : 1213-1224.

[9] 孙金磊,逯仁贵,魏国,等.串联电池组双向全桥 SOC均衡控制系统设计[J].电机与控制学报,2015,19(3):76-81.

[10] 陈益广,唐林,沈勇环.基于Boost-Buck电路的锂离子电池组均衡充电方法[J].电力系统及其自动化学报,2014,26(10): 56-60.

[11] 吴铁洲,陈学广,张杰,等.HEV锂离子串联电池组混合均衡策略研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(2): 102-104,119.

Equalization Circuit Design Based on Bidirectional Buck-Boost Power Converter Circuit For Lithium Battery

Li Jianhui1Wang Caishen2Lin Xinxiao1
(1.City College of Dongguan University of Technology 2. Dongguan University of Technology)

Due to the problem of charge imbalance for lithium ion battery cell, the paper proposes a bidirectional buck boost power converter circuit as equalization circuit. Equalization algorithm based on microprocessor MSP430F5529 and battery management chip BQ20Z45 as core of the implementation and has the voltage of the battery, SOC display and other functions. The results show that the equilibrium management can solve the loss distribution of the charged state (SOC) and the capacity of the (C/E) mismatch, thereby improving the performance of the series of lithium ion batteries.

Battery Management System; Cell Equalization Technology; Buck-Boost Power Conversion Circuit

李建辉，男，1983年生，硕士，实验师，主要研究方向：嵌入式系统应用、无线传感网络、电源管理等。E-mail: lijh0511@163.com

东莞市科技计划项目（2014106101021，2014108101034）