钟义华，唐志杰，杨国正

（双登集团股份有限公司，江苏 泰州 225500）

0 引 言

为增强数据机房的供电可靠性，实现不中断供电，通常会采用两路独立电源供电和用电池作为备电。在通信机房与站点，普遍采用电池作为备电，这些场景的电池容量需要按需配置[1]。长期的运营中，系统需要电池容量的并机扩容、电池在线接入或拔出进行维护、新旧电池的混合利用等，这些操作也需要站点不中断供电，为此需要解决电池的热插拔以及多电池在并联条件下的充放电管理[2]。电池接入系统时，电池组电池内阻低，由于电池本身有电压与能量，当系统异常或与电池初始状态不匹配时，直接接入会导致安全能量风险，如过流、短路、过压等。为此，在系统与电池间需要一个中间缓冲或管理装置。另外，电池并联公共的接线端称之为母线，电池由于内阻低，两个并联时，即使是一个很小的电压差值，也会在两个电池间产生很大的冲击电流；多个电池并联时，由于电池单体与母线的电压差，并入的电池也会对母线产生一个很大的冲击电流。过大的冲击电流会导致宕机、打火，甚至烧毁接插件导致安全事故。所以，在电池与电池间也需要一个中间缓冲或管理装置，这种装置可以称之为电池控制器[3]。

电池控制器可以实现电池或电池组的热插拔接入，并实现安全的充放电管理，同时实现各组电池的均流放电。这种控制器利用检测电路检测电池的电压、母线的电压、电池的充放电电流，当母线电压、电池电压在正常范围内，控制器启动工作并自动工作于设定的工作状态，可以调节电池与母线的电压差，并控制电池的充电电流、放电电流，实现开关机，并提供过压保护、过流保护，有温度保护。

电池控制器是处于系统母线与电池之间的控制器，核心功能是完成功率变换。功率变换可以完成软启动、升压、降压、限流、过流保护、过压保护、温度保护以及开关机，控制器的管理系统采样、处理整个控制器的电流、电压、温度，控制功率变换式的工作状态，并与上位机进行通信，将控制器下的电池充放电信息发送给上机，同时接受上位机的命令以控制本路功率变换的工作状态，实现电池的智能充电或均流放电等[4]。可根据系统的需求，选择合适的功率变换方案[5]。

1 电池控制器的实现方案

1.1 电池控制器概述

电池控制器提供电池的接入管理、配电接线，支持插拔维护，可实现电池热插拔、安全保护、功率变换、均流调节[6]。

电池控制器的功能框图如图1所示。

图1 电池控制器的功能框图

电池控制器实现的功能如下所述。

（1）作为电池与系统母线的中间部件，可以提供接入、启动、工作、保护与关机功能。

（2）提供电池组功率变换，当电池组间一致性较差时，电池控制单元通过升压和平衡调节，控制电池组间电流均衡度，确保系统可靠工作。

（3）根据系统负载需求与充电策略，分配各路放电电流与充电电流，可实现系统的均流与平衡，也可以让某些电池减小放电电流甚至退出备电。

（4）实现电池通信及与上位机的通信，并提供相关电池管理及异常保护功能。

（5）电池控制器可以是分立式的，也可以是集中式的。

电池控制器在系统中的位置如图2所示，通过控制单元并联与通信组成电池控制器。

图2 分布式的电池控制器

分布式的电池控制单元之间通过外部的RS485或CAN总线实现通信，功能上相当于一个集中式的电池控制器。

1.2 电池控制器的并机

多电池接入时，通过电池控制器接至母线。电池控制器最重要的功能是管理电池的充放电电流，根据电池的状态进行保护或充放电的均流或电流分配，工作过程如下。

（1）接入的电池（可以是铅酸电池或锂电池组），通过控制器，接至母线。这样，所有的电池均在母线上进行并联。

（2）控制器的“电流采样 ”采样电池的充放电电流，“电压温度采样”采样电池或电池组的电压与温度，“电压采样”采样系统的母线电压或端口电压。

（3）采样信号汇集到集成控制IC，集成控制IC根据母线电压状态与上位机系统的命令，控制功率变换的工作状态，包括充电升降压、放电升降压。

（4）功率变换可通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制技术工作于升降压状态，也可以通过线性控制技术工作于线性稳压限流状态。

（5）电池放电时，所有电池的放电电流通过串口通信总线进行汇集，计算出总电流，并计算电流的均值，从而通过功率变换电路控制电池的放电电流，达到均流放电的目的。

（6）电池充电时，通过串口通信总线接受系统的调度，控制电池的充电模式与状态。

（7）根据采样与信号与系统的通信与预设置的保护阈值，利用保护接口进行关断或保护。

1.3 电池控制器的功率变换

电池控制器的功率变换部分是整个控制器的核心，根据母线电压状态与上位机系统的命令来调节电池的输出电压与电流以及充电电流。控制器的功率变换比较常见的有方案一和方案二，这里也提出一种混合式的方案三。

1.3.1 方案一：桥式双向升降压电池管理器

桥式双向升降压电池管理器的原理框图如图3所示[7]。

图3 桥式双向升降压电池管理器的原理框图

双向升降压电池控制器的拓扑如图4所示。双向升降压电池控制器利用其H桥式的开关管，实现双向的升降压，它的4种工作状态如下。

图4 双向升降压电池控制器的拓扑

（1）充电降压状态：整个桥式交换器工作于BUCK变换器模式（见图5）。

图中“PWM：D”与“PWM：1-D”，表示上下开关管工作于一种相位差为180°的互补状态，而带箭头的线则表示工作时的电流路径。图5中，在开关周期的上半周，Q1导通时，Q2关断，母线BUS+通过Q1、L1与Q3对电池BATT充电，在开关周期的下半周，Q1关断，Q2开通，存储在L上的能量通过Q3继续对电池BATT充电。桥式变换器的开关管工作于一种标准的BUCK变换器模式。

图5 双向升降压电池控制器工作于充电降压状态

（2）充电升压状态：整个桥式交换器工作于BOOST变换器模式（见图6）。

图6 双向升降压电池控制器工作于充电升压状态

这里Q3、Q4组成PWM控制的开关电源变换器：BOOST变换器。

（3）放电升压状态：整个桥式交换器工作于BOOST变换器模式（见图7）。

图7 双向升降压电池控制器工作于放电升压状态

这里Q1、Q2组成PWM控制的开关电源变换器：BOOST变换器。

（4）放电降压状态：整个桥式交换器工作于BUCK变换器模式（见图8）。

图8 双向升降压电池控制器工作于放电降压状态

这里Q3、Q4组成PWM控制的开关电源变换器：BUCK变换器。

双向升降压电池管理器的功能最为健全，充电时可升降压，放电时亦可以升降压。但相应地控制复杂、成本也高。为此经常根据场景进行简化为一种降压充电、升压放电的电池控制器。

1.3.2 方案二：降压充电、升压放电的电池控制器

双向降压充电升压放电的电池控制器是桥式双向升降压电池管理器的简化，它的原理框图如图9所示。

图9 降压充电升压放电的电池控制器的原理框图

降压充电、升压放电的电池控制器的电路拓扑见图10。

图10 降压充电升压放电的电池控制器的拓扑

降压充电、升压放电的电池控制器的2种工作状态说明如下文所述。

（1）充电降压状态：整个交换器工作于BUCK变换器模式（见图11）。

图11 降压充电升压放电的电池控制器的充电降压状态

此时变换器是一种标准的BUCK变换器，工作于同步整流模式[8]。

（2）放电升压状态：整个交换器工作于BOOST变换器模式（见图12）。

图12 降压充电升压放电的电池控制器的放电升压状态

此时变换器是一种标准的BOOST变换器，工作于同步整流模式[9]。

降压充电、升压放电的电池控制器虽然功能受限，但电路十分简洁，在一些功能需求比较简单的场景，可以有效地降低电路的复杂性、降低控制的复杂性，带来良好的成本效益。因此，综合方案一、二，提出一种混合式的电池管理方案（方案三）。

1.3.3 方案三：混合式电池控制器

混合式电池控制器的原理框图如图13所示。

图13 混合式电池控制器的原理框图

混合式电池控制器的电路拓扑图如图14所示。

图14 混合式电池控制器的拓扑

（1）控制器主要由 F1、F2、RLY1、C1～C4、Q1～Q3、L1、Rsen以及 MCU（U1）组成。其中F1、F2、RLY1为保护接口电路，U1集成的模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）可以采集温度、电压与电流，U1的串口通信可以接入总线，实现各控制器以及系统的通信，同时U1控制Q1～Q3的工作状态，实现功率变换。

（2）电流采样由低阻值电阻Rsen进行采样，将电流信号转成电压信号输入给MCU（U1）进行模数转换，电池的电压温度采样在电池的端口完成，母线的电压采样在母线的端口完成。

（3）控制器之间的状态信息由CAN口进行通信。比如电池均流可以通过通信与MCU进行处理，可称之为数字均流。以均流为例：MCU根据系统总的负载电流，计算出单模块的平均电流。如果本路控制器的输出电流大于平均电流，则降低输出电压，如果本路控制器的输出电流小于平均电流，则微微提高控制器的输出电压，从而增加输出电流至平均值。

混合式电池控制器的3种工作方式说明如下文所述。

（1）降压充电：控制器工作于BUCK变换器状态（见图15）。

当母线对电池充电时，Q1与Q2工作于同步状态，相位差为180°，为标准的BUCK同步降压电路，Q3则工作于导通状态。此时控制器工作于PWM的开关电源模式，Q1～Q3的GS间的驱动波形如图15 所示。前半周期，Q1导通Q2关断，母线通过L1、Rsen、Q3，将充电能量送至电池，后关周期，Q1关断Q2导通，存储在L1上的能量通过Rsen、Q2、Q3，继续将充电能量送至电池。

图15 混合式电池控制器的降压充电

（2）升压放电：控制器工作于BOOST变换器状态（见图16）。

当电池升压放电时，Q1与Q2工作于同步状态，相位差为180°，为标准的BOOST同步升压电路，Q3则工作于导通状态。此时控制器工作于PWM的开关电源模式，Q1～Q3的GS间的驱动波形如图16所示。前半周期，Q1关断Q2导通，母线通过Rsen、L1、Q2，将充电能量送至电感L1，后关周期，Q1导通 Q2关断，存储在L1上的能量与电池上的能量，同时通过Rsen、Q1，继续将充电能量送至母线或负载。

图16 混合式电池控制器的升压放电

（3）线性限流放电：控制器工作于线性限流调压的变换器状态（见图17）。

图17 混合式电池控制器的线性限流放电

当需要电池降压放电时，Q1处于导通状态，Q2工作于关闭状态，相位差为180°，Q3则工作于线性导通状态，此时控制器工作于线性限流稳压模式[10]。Q1～Q3的GS间的驱动波形如图17所示，控制驱动波形的幅值来控制Q3工作于放大状态。本路控制器的MCU根据母线的状态，需要进一步限制本路输出电路，则利用Q3的导通状态进行线性限流，控制Q3的驱动电压，则可以控制Q3的导通阻抗，如需减小电流，则降低Q3的驱动电压，增加导通阻抗，从而减小了输出电流，实现限流。

方案三的电池控制器工作于双向变换器状态，可以PWM的开关电源方式也可以线性限流，在功能与成本方面实现了很好的综合。

2 结 论

本文分析研究的电池控制器，可以让电池能方便、快捷、安全地接入或拔插出系统，组成不同容量等级的备电系统，并实现电池电池组的智能管理。

本文提及的3种方案有复杂的高成本方案一和简洁的低成本方案二，也有兼顾功能与成本的方案三，可以根据场景功能与成本要求选择，以实现大容量电池状态下电池与系统的安全与备电。