無(wú)線充電裝置及其電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 騫，蔡斌軍，羅家仁

（1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104；2.廣西震革網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，南寧530000）

0 引言

清潔能源的開(kāi)發(fā)利用已成為世界各國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，在此背景下，電池作為一種重要的能源儲(chǔ)存裝置，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展.電池管理系統(tǒng)作為電池和用電設(shè)備的連接點(diǎn)，起到了保障電池組安全、有效運(yùn)行的主要作用，如今電池管理系統(tǒng)已成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)大多數(shù)采用的是能耗型均衡（被動(dòng)均衡）儲(chǔ)能方式，采取此方式容易造成電量浪費(fèi)，相較于非能耗型均衡（主動(dòng)均衡）的設(shè)計(jì)逐漸失去優(yōu)勢(shì)，因此，傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的架構(gòu)有著較大的局限性，成為亟須解決的問(wèn)題.

同時(shí)，無(wú)線充電技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和推廣，如今應(yīng)用已逐漸成熟，其模塊不通過(guò)物理連接的方式，以電磁場(chǎng)變化將供電端電能傳輸給用電端，可以很好地滿足設(shè)備充電的需要，并且減少了接口的磨損，在傳輸效率可以接受的基礎(chǔ)上已成為一種良好的新型充電方式.

本文提出了一種采用無(wú)線充電技術(shù)的充電裝置的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在電池組接受電能之前的模塊以無(wú)線的方式來(lái)進(jìn)行電能傳輸，完成對(duì)電池組SOC的估算，進(jìn)行了無(wú)線傳輸模塊及BMS的電路設(shè)計(jì)及調(diào)試，其中通過(guò)BMS的主控板和無(wú)線傳輸模塊調(diào)控各個(gè)單體電池的電壓差，在綜合了電池組的保護(hù)的同時(shí)很好地實(shí)現(xiàn)了電池組的主動(dòng)均衡，并通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控電池組信息，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)分為無(wú)線充電模塊和電池管理模塊，如圖1所示；其中無(wú)線充電系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收端兩大部分，如圖2所示；電池管理系統(tǒng)分為電池組SOC估算模塊和均衡與保護(hù)模塊兩大部分.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 無(wú)線充電結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線充電模塊的結(jié)構(gòu)分為兩大部分，即發(fā)射部分和接收部分.發(fā)射部分包括整流濾波、DC-DC變換、逆變.220 V的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波變換成穩(wěn)定的直流電，然后經(jīng)過(guò)DC-DC變換將電壓調(diào)節(jié)到一個(gè)固定值供給逆變電路.

文中采用的無(wú)線充電系統(tǒng)發(fā)射端220 V、50 Hz的交流電經(jīng)DC-DC整流變換后再穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)變?yōu)? V電壓.之后逆變電路將5 V的直流電逆變成100～200 kHz的交流電，供給發(fā)射機(jī)構(gòu).發(fā)射機(jī)構(gòu)由一個(gè)繞制線圈組成，即電信號(hào)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)分布在耦合電感附近的空間中，離耦合電感越近磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng).

接收部分包括接收機(jī)構(gòu)和用電設(shè)備.接收機(jī)構(gòu)也由繞制線圈組成，并且與發(fā)射端近距離平行放置，即可達(dá)到電能傳輸?shù)哪康?接收端的線圈電感可以在發(fā)射端產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中獲取能量，轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡撾娔芙?jīng)過(guò)能量變換（如整流、濾波等）后，供給電池組.電池組接受電能后由BMS進(jìn)行均衡管理.

電池管理模塊主要分為SOC估算模塊和均衡與保護(hù)模塊兩大部分.這兩大部分是實(shí)現(xiàn)電池組各個(gè)單體之間均衡控制的基礎(chǔ).也是構(gòu)成BMS的核心功能.

1.1 SOC估算

電池組應(yīng)用于任何場(chǎng)合，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電量信息顯示都是非常重要的，其中SOC即電池的荷電狀態(tài)，其公式定義如下：

式中Qrem為電池剩余電量，它定義為電池在給定放電倍率和環(huán)境溫度下可放出的電量，Qact定義為電池在相同放電條件下測(cè)得的實(shí)際容量.

電池的SOC的估算會(huì)受很多因素的影響，比如電池內(nèi)部電阻、自放電、充放電倍率、環(huán)境溫度等，因此快速準(zhǔn)確地估算電池組SOC是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié).SOC的主流估算方法有放電實(shí)驗(yàn)法、開(kāi)路電壓法、安時(shí)積分法、電池內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，這些估算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于測(cè)試設(shè)備的條件可以處于非工作的靜置狀態(tài)，同時(shí)為了操作的簡(jiǎn)單和方便，通過(guò)測(cè)量電池的電壓參數(shù)信息后采用安時(shí)積分法結(jié)合開(kāi)路電壓法，可以較為精確地確定電池組的SOC.計(jì)算公式如下：

式中C N表示電池額定容量，η表示充放電效率.

本文使用的是12 V 100 Ah的鋰聚合物電池，充放電溫度為-20℃～+60℃（正常運(yùn)行在室溫25℃），放電率為20 h.通過(guò)將滿電量的電池組以1C的放電速率持續(xù)60 min，在測(cè)量電池組端電壓前先將電池組靜止放置24 h，使電池組達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后測(cè)量電池組的端電壓作為開(kāi)路電壓，電池組60 min內(nèi)放出的能量為其間減少的能量，作為一個(gè)周期.然后循環(huán)數(shù)次直至電池組放出全部能量，可得出SOC的估算值.

1.2 均衡模塊設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)的均衡主要解決電池組中各個(gè)單體電池充電速率不一致的問(wèn)題，有些單體電池存在過(guò)充、過(guò)放狀態(tài)的時(shí)候，另外一些單體電池處于欠充狀態(tài)，如果不對(duì)電池組進(jìn)行均衡，則會(huì)對(duì)電池組容量利用率、循環(huán)壽命、電池功率等產(chǎn)生較大的危害，嚴(yán)重時(shí)可造成安全事故.

電池均衡策略根據(jù)能耗方式的不同，均衡電路可以分為能量耗散型和能量非耗散型均衡.能耗型均衡是一種使用耗能元件耗散電池單體中多余的電量達(dá)到均衡效果的方式.因此，非能耗型均衡則具有節(jié)能和能量利用率高的優(yōu)點(diǎn).

非能量耗散型均衡電路按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為集中式和分散式兩種類型，分散式是指單體電池兩端獨(dú)立連接變換器模塊并可以獨(dú)立工作，但單體電池?cái)?shù)量過(guò)多時(shí)，均衡成本過(guò)高.

本文為了盡可能地降低能量損耗，提高電能傳輸?shù)膽?yīng)用效率，降低系統(tǒng)成本，采用的是集中式的均衡結(jié)構(gòu)，這種方式下電池組的電池同時(shí)接入一個(gè)繞組，簡(jiǎn)化了硬件.

在系統(tǒng)中將無(wú)線模塊的接收端分成若干部分接于電池組兩端，并且數(shù)量與電池組電池個(gè)數(shù)相等，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)單體電池電壓過(guò)低時(shí)（單體電池的電壓差超過(guò)單體電壓的1%），將過(guò)高電壓的單體電池的能量通過(guò)線圈耦合傳遞給較弱的電池.當(dāng)單元板采集到電池組數(shù)據(jù)時(shí)，將其發(fā)送到電池管理系統(tǒng)的主控模塊中，電池均衡系統(tǒng)即開(kāi)始作用，直到各個(gè)單體電池的實(shí)際電壓值穩(wěn)定在平均值附近，從而完成均衡管理，并且在系統(tǒng)作用時(shí)可以達(dá)成不間斷的均衡效果，均衡電路圖如圖3所示.

圖3 均衡電路圖

采用此方式達(dá)成的均衡效果好，傳遞效率高，易于模塊化，并以高能量利用率的方式實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)均衡.

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用8節(jié)鋰離子電池串聯(lián)；獨(dú)立電池電壓監(jiān)控，對(duì)于電池組的過(guò)流和短路，電池的過(guò)壓/欠壓等故障的檢測(cè)具有寬泛的可編程檢測(cè)閾值與延遲時(shí)間的優(yōu)勢(shì)；硬件可直接檢測(cè)和控制電池的充放電.

系統(tǒng)充電模塊發(fā)射端選用內(nèi)置高壓MOS管的原邊控制開(kāi)關(guān)電源SD8585S，采用PFM調(diào)制技術(shù)，提供精確的恒壓/恒流控制環(huán)路，具有非常高的穩(wěn)定性和平均效率.并且無(wú)需光耦，省去了次級(jí)反饋控制和環(huán)路補(bǔ)償，降低了系統(tǒng)成本.發(fā)射端電路圖如圖4所示，F(xiàn)B管腳為反饋電壓輸入端；CDC管腳為輸出線損補(bǔ)償端；ISEN管腳為峰值電流采樣端；VCC管腳為供電電源；OC為MOS管漏端；GND管腳為接地端.電能經(jīng)圖示T1耦合線圈傳輸?shù)浇邮斩?

圖4 發(fā)射端電路圖

系統(tǒng)充電模塊接收端主要圍繞TP5000構(gòu)建，TP5000是一款開(kāi)關(guān)降壓型單節(jié)錳鋰電池/磷酸鐵鋰電池充電管理芯片.該芯片內(nèi)置輸入過(guò)流、欠壓保護(hù)、芯片過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、電池溫度監(jiān)控、電池反接保護(hù).并且具有寬輸入電壓，電池充電分為涓流預(yù)充、恒流、恒壓三個(gè)階段.涓流預(yù)充電流、恒流充電電流都通過(guò)外部電阻調(diào)整，最大充電電流達(dá)2 A.采用頻率800 kHz的開(kāi)關(guān)工作模式使它可以使用較小的外圍器件，并在大電流充電中仍保持較小的發(fā)熱量.內(nèi)置功率PMOSFET、防倒灌電路，無(wú)需防倒灌肖特基二極管等外圍保護(hù).其中包含兩個(gè)漏極開(kāi)路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示端CHRG和電池充滿狀態(tài)指示輸出端STDBY.芯片內(nèi)部的功率管理電路可以利用芯片的功率處理能力在芯片的結(jié)溫超過(guò)145℃時(shí)自動(dòng)降低充電電流，不用擔(dān)心芯片過(guò)熱而損壞芯片或者外部元器件.

接收端電路圖如圖5所示，VIN管腳為輸入電壓正輸入端，范圍在4.5～9 V之間，并通過(guò)一個(gè)鉭電容進(jìn)行旁路;LX管腳為T(mén)P5000的電流輸出端與外部電感相連作為電池充電電流的輸入端;CS管腳懸空使芯片處于磷酸鐵鋰3.6 V關(guān)斷電壓狀態(tài)；CHRG和STDBY管腳為充電狀態(tài)指示端；BAT和TS管腳分別為電流和溫度檢測(cè)端；VREG管腳是一個(gè)內(nèi)部電源，外接一個(gè)0.1μF旁路電容到地；RTRICK管腳直接接地表示預(yù)充電電流10%設(shè)置恒流.

圖5 接收端電路圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的參數(shù)狀態(tài)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此利用C#實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)串口通信的上位機(jī)監(jiān)控.用于BMS的調(diào)試，可監(jiān)控主板溫度、均衡時(shí)間、電壓信息、充放信息，并有串口接收發(fā)送功能.

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為8節(jié)鋰電池，通過(guò)實(shí)時(shí)更新顯示出單體電池的狀態(tài)參數(shù)可有效測(cè)試出系統(tǒng)的安全性能.

上位機(jī)通過(guò)RS485總線與BMS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所獲得的數(shù)據(jù)參數(shù)可在上位機(jī)上顯示，包括：

（1）主控板信息

（2）電池控制信息

為了完全地判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，屏幕中各區(qū)域分別為保護(hù)板信息、電壓信息、充放信息、均衡參數(shù)、電池組串電壓.能直觀地顯示電池控制參數(shù)信息.

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)，本文提出了一種采用無(wú)線充電技術(shù)的充電裝置的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，引入了SOC估算，在系統(tǒng)接收端通過(guò)電池管理芯片，結(jié)合電池組保護(hù)，以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)均衡，控制了能耗，提高了電池均衡的穩(wěn)定性.

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，無(wú)線充電模塊線圈發(fā)熱程度較輕，BMS均衡效果良好，滿足實(shí)際應(yīng)用需求.在此基礎(chǔ)上，可繼續(xù)研究提高無(wú)線傳輸模塊線圈耦合的傳輸效率及電池組電壓均衡效果及溫度控制.