基于CAN總線的鋰離子電池組充電管理系統(tǒng)

王 碩， 吳愛(ài)國(guó)， 吳國(guó)強(qiáng)

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072)

基于CAN總線的鋰離子電池組充電管理系統(tǒng)

王 碩， 吳愛(ài)國(guó)， 吳國(guó)強(qiáng)

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072)

鋰電池串聯(lián)用作設(shè)備電源時(shí)，各節(jié)電池單體的個(gè)體差異比較大，會(huì)導(dǎo)致電池放電特性不一致。通過(guò)對(duì)鋰離子電池組充電特性研究，運(yùn)用PID控制算法控制電池單體恒流恒壓充電，各個(gè)模塊通過(guò)CAN總線上傳電壓電流電量信息，實(shí)現(xiàn)電池單體監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓充電、過(guò)流、過(guò)壓及短路保護(hù)，該設(shè)計(jì)使得每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，完成充電后電池均衡性強(qiáng)，并明顯提高了控制精度。

CAN總線；鋰電池；恒流恒壓充電；VICOR模塊；克服死區(qū)的PI控制算法

鋰離子電池單體電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全無(wú)公害，成為各種動(dòng)力設(shè)備的理想電源，當(dāng)鋰電池用于動(dòng)力設(shè)備時(shí)，需要將每個(gè)單體串聯(lián)起來(lái)，由于電池單體內(nèi)阻和放電倍率的不同，個(gè)體差異較大，各自充電放電特性不同，串聯(lián)起來(lái)的電池組的容量由單體電池的最小容量決定[1]；同時(shí)，由于充電電池的種類單一，現(xiàn)階段研究的充電器功能較單一，通常只能對(duì)特定參數(shù)的鋰電池進(jìn)行充電，不同型號(hào)鋰電池具有不同的充電參數(shù)。為此，研發(fā)一個(gè)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、一致性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)的鋰離子電池組充電器顯得十分重要。

本文在考慮到鋰離子電池充電特性基礎(chǔ)下，為了解決上述串充時(shí)，每個(gè)電池單體均衡性較差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于VICOR模塊的鋰離子電池充電器，采用模塊化的思想，通過(guò)CAN總線同觸摸屏進(jìn)行通信，觸摸屏實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線、實(shí)時(shí)通信功能，克服了一般充電器過(guò)充、充電不足以及充電不一致、運(yùn)行不可靠的缺點(diǎn)[2]，并且具有良好的通用性。

1 鋰電池充電特性

如圖1所示，鋰電池常規(guī)充電法是按預(yù)充、恒流、恒壓三個(gè)階段進(jìn)行的，本款充電控制模塊可以針對(duì)各種鋰離子電池進(jìn)行充電。由于電池電壓超過(guò)4.25 V，將會(huì)造成電池的永久性破壞，通常鋰電池充電電流應(yīng)限制在1C以下。放電時(shí)，單體電池不得低于2.8 V，否則也將會(huì)造成永久性的損壞。鋰離子電池放電起始電壓4.1或4.2 V，采用1C放電速率，當(dāng)單體電壓降到2.8 V時(shí)，可以釋放額定容量的90%。本設(shè)計(jì)采用恒流-恒壓充電方式，恒流充電階段，電流在0～10 A可設(shè)定，恒流充電時(shí)，當(dāng)單體電壓上升到截止電壓4.18或4.20 V時(shí)，由充電機(jī)控制轉(zhuǎn)入恒壓充電，恒壓充電電壓為4.18 V?？刂坪銐撼潆娺^(guò)程中，充電電流逐漸減小，當(dāng)電流減小到0.1C時(shí)，充電完成，切斷充電，保護(hù)電池不因?yàn)檫^(guò)充而損壞。

圖1 電池充電特性圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鋰離子充電管理系統(tǒng)由整流模塊部分、充電控制部分、電池單體部分、CAN總線上位機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 充電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)整流模塊部分，如圖3所示整流電路，整流部分輸入是三相四線的50 Hz的工頻交流電，經(jīng)過(guò)半橋整流電路，電感電容濾波后可以提供近300 V電壓。

圖3 三相四線半橋整流電路

(2)充電控制模塊部分，本部分是充電系統(tǒng)的核心，采用DSP2812控制VICOR模塊的方案，即用VICOR設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)的恒壓恒流源，完成恒流恒壓控制。

(3)電池單體部分，由72個(gè)電池單體組成，每個(gè)電池單體是18 Ah容量，滿容量時(shí)總電壓近似為300 V，每個(gè)電池單體有兩根充電線，兩根檢測(cè)線，用于充電以及檢測(cè)。

(4)CAN總線上位機(jī)部分，72個(gè)模塊總線相連上傳至CAN總線觸摸屏[3]，本設(shè)計(jì)采用維控公司的觸摸屏LEVI102A，完成人機(jī)界面的功能?？梢钥刂瞥潆姷膯⑼＃瓿呻妷弘娏麟娏康谋O(jiān)控曲線，以及過(guò)壓過(guò)流報(bào)警功能。

3 并充模塊的硬件部分

充電控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，其中包括兩大部分：VICOR模塊和DSP2812控制部分(圖4)。

圖4 充電控制模塊硬件連接

3.1 VICOR模塊

VICOR模塊是一款高功率密度的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，其輸入和輸出是電壓隔離的，產(chǎn)品有多種功率等級(jí)可以選用，廣泛應(yīng)用于各種電力電子領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選取型號(hào)V300C5T100BL，VICOR采用零電流諧振變換，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)40 MHz，極大地縮小了電源尺寸。第二代VICOR模塊使用了ZCS/ZVS(零電流/零電壓開(kāi)關(guān))技術(shù)，能有效率、低噪聲、高頻操作。輸入支持電壓的范圍是180～375 V，輸出0.5～7 V可調(diào)，功率為100 W，VICOR控制端為0～1.23 V，對(duì)應(yīng)輸出電壓0～5 V，基本呈線性關(guān)系。輸出電壓編程可通過(guò)固定電阻、電位器或者DAC調(diào)整或程控轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)肖特基二極管直接供給鋰電池。

3.2 DSP2812控制部分

該部分主要包括供電、采樣、控制三個(gè)部分[4]，本設(shè)計(jì)方案采用TI公司所生產(chǎn)的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為主控單元，該型號(hào)DSP支持在C語(yǔ)言中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該款芯片廣泛應(yīng)用于各種電子裝備的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中。

(1)DSP2812的供電。DSP控制單元的供電系統(tǒng)由充電線復(fù)用，經(jīng)過(guò)升壓隔離變換到5 V，升壓電路的范圍是2.8～5.5 V，產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V，隔離后供給TI公司的TPS70302芯片產(chǎn)生3.3和1.8 V的內(nèi)核電壓供給DSP，同時(shí)隔離的5 V電源也提供給DA、磁耦、電壓隔離變換器以及電流傳感器等外圍設(shè)備。

(2)電壓電流的采樣，由于DSP內(nèi)部AD為12位，輸入電壓范圍是0～3 V，電壓電流需要隔離采樣進(jìn)入DSP的AD里，電壓采用一個(gè)電壓線性變化器，其作用是輸入0～5 V電壓范圍，隔離輸出一個(gè)除2的關(guān)系，變換到0～2.5 V，精度可以達(dá)到0.1%，電流傳感器采用的是allegro公司的ACS712-20A的電流傳感器，該傳感器可以測(cè)量20 A以內(nèi)的電流，2.5 V為基準(zhǔn)，靈敏度為100 mV/A，經(jīng)過(guò)2個(gè)LM385(1.23 V基準(zhǔn)穩(wěn)壓管)偏移進(jìn)入DSP內(nèi)部AD中。

(3)電壓、電流的調(diào)節(jié)，電壓電流的調(diào)整是通過(guò)DSP的SPI串行外設(shè)接口通過(guò)磁耦A(yù)DUM1300隔離控制12位精度DA芯片DAC7311完成的，本設(shè)計(jì)的DA是12位精度控制VICOR模塊的次級(jí)控制端SC，完成對(duì)充電線的電壓的控制，電壓電流構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)使VICOR實(shí)現(xiàn)恒流源或者恒壓源的目的。

4 充電控制部分

電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)階段的控制系統(tǒng)框圖如圖5，設(shè)定電流和反饋檢測(cè)電流相比較之差，送給PI調(diào)節(jié)器，控制DA輸入數(shù)字量調(diào)整VICOR使輸出電流保持恒定。由于電池初始時(shí)含有電動(dòng)勢(shì)(3 V左右)，即控制對(duì)象含有死區(qū)特性，開(kāi)始調(diào)節(jié)前，采用將電池電壓作為VICOR輸出的調(diào)節(jié)起點(diǎn)，可以克服死區(qū)帶來(lái)的調(diào)節(jié)速度慢的特點(diǎn)，恒流充電階段，電壓要限定在范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

為了克服電池自帶的電動(dòng)勢(shì)死區(qū)特性，針對(duì)VICOR在電路中的使用，調(diào)整滑動(dòng)變阻器使輸出電壓基本為3 V作為調(diào)整起點(diǎn)，多次測(cè)量得到如圖6曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)，控制電壓和輸出電壓基本成線性關(guān)系。

圖5 恒流充電閉環(huán)控制框圖

圖6 VICOR控制電壓和輸出電壓關(guān)系

經(jīng)過(guò)一次線性擬合我們得到VICOR在本次設(shè)計(jì)的電路中控制端和輸出端的關(guān)系為式(1)：

通過(guò)式(1)，可以將采樣的電池電壓，反解出控制端的電壓，作為克服死區(qū)特性的PI控制的調(diào)節(jié)起點(diǎn)，采用增量PI控制算法如式(2)所得，將輸入的控制量u疊加迭代增量Δu，從而不斷修正DA使VICOR恒流輸出，完成電池恒流充電過(guò)程。

電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，電壓閉環(huán)恒壓調(diào)節(jié)階段的控制系統(tǒng)框圖如圖7，設(shè)定電壓和反饋檢測(cè)電壓比較之差送給PI調(diào)節(jié)器，控制DA輸入數(shù)字量，調(diào)整VICOR使輸出電壓恒定。同時(shí)，恒壓階段采用限流充電方法，電流反饋和限定電流值比較，如果采集的電流值大于限定的電流值，則通過(guò)PI調(diào)節(jié)降低給定的電壓，如果采集的電流值小于限定電流值，正常調(diào)節(jié)，完成恒壓階段限流的目的。

圖7 恒壓限流充電閉環(huán)控制框圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程圖如圖8所示，充電程序分為主循環(huán)和初始化兩部分，主循環(huán)包括以下四個(gè)部分：

圖8 充電程序流程圖

(1)電壓電流采樣以及格式轉(zhuǎn)化，電壓電流的采樣是通過(guò)DSP內(nèi)部AD進(jìn)行的，并且進(jìn)行了數(shù)字濾波與校正，在對(duì)單體電池測(cè)量時(shí)，采用同一時(shí)間采樣8次，通過(guò)除去極值取平均值的方法，來(lái)獲得較高的采樣精度，并且采用了線性校準(zhǔn)程序，提高了AD采樣的精度；

(2)ECAN通信，系統(tǒng)的通信采用了主從模式，上位機(jī)與模塊的CAN通信機(jī)制采用輪詢的方式進(jìn)行通訊，上位機(jī)首先向特定模塊發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，該模塊接收到后回傳給上位機(jī)相應(yīng)數(shù)據(jù)，下一通訊周期繼續(xù)重復(fù)該操作。當(dāng)接收到上位機(jī)CAN總線傳來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，通過(guò)CAN總線上傳數(shù)據(jù)電壓電流；

(3)模式切換以及過(guò)壓過(guò)流報(bào)警，充電控制模塊可以通過(guò)判斷電壓和電流值是否超過(guò)限制，如果超過(guò)限制即視為過(guò)壓或過(guò)流，則產(chǎn)生報(bào)警，并點(diǎn)亮故障指示燈，切斷充電電源，保證充電過(guò)程穩(wěn)步進(jìn)行。充電過(guò)程一旦到達(dá)截止電壓切換到恒壓模式，在恒壓模式下，一旦電流下降到0.5 A左右完成充電。

(4)恒流恒壓調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)方法采用的是克服死區(qū)的PI算法，通過(guò)每步計(jì)算的增量，不斷修正DA輸入數(shù)字量，恒流恒壓充電調(diào)節(jié)是通過(guò)控制VICOR控制端的電壓來(lái)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)的。

6 鋰電池充電實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論

通過(guò)論文設(shè)計(jì)的鋰電池充電單模塊實(shí)驗(yàn)裝置在完成上述功能條件下對(duì)鋰離子電池全充電過(guò)程進(jìn)行了調(diào)試。觸摸屏上位機(jī)通過(guò)CAN巡檢72個(gè)電池電壓和電流的數(shù)據(jù)，將顯示的數(shù)據(jù)記錄在觸摸屏的存儲(chǔ)區(qū)中，對(duì)于單模塊電池單體，充電實(shí)驗(yàn)恒流階段采用3 A充電，當(dāng)電壓達(dá)到截止電壓4.2 V時(shí)，轉(zhuǎn)入恒壓充電方式，維持充電電壓4.2 V，經(jīng)過(guò)了6 h的充電過(guò)程，根據(jù)得到的電壓電流歷史數(shù)據(jù)，繪制了如圖9的鋰電池充電全過(guò)程的電壓電流曲線。

圖9 電池充電電流電壓充電曲線圖

從所得的電壓電流值精度，控制電壓的精度可以在20 mV以下，控制電流的精度可以在0.1 A。采用克服死區(qū)特性的PI方法，快速，控制平穩(wěn)準(zhǔn)確，無(wú)電壓超調(diào)，恒流轉(zhuǎn)恒壓時(shí)，過(guò)度平滑，恒壓階段電流逐漸下降，最終下降到0.3 A時(shí)，完成充電。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，模塊可擴(kuò)展性強(qiáng)，通信可靠，充電模塊體積較小，電池單體充電充分，一致性強(qiáng)，采用克服死區(qū)的PI增量算法，響應(yīng)速度提高，控制平穩(wěn)，無(wú)超調(diào)。

[1]張建生，王偉，張燕紅.電源技術(shù)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：163-167.

[2]郭軍，劉和平.純電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池均衡充電的研究[J].電源技術(shù)，2012，36(4)：479-482.

[3]鄭敏信，齊鉑金，吳紅杰.基于雙CAN總線的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)[J].汽車工程，2008，30(9)：788-795.

[4]樊海軍，丁學(xué)明，徐紅平.鋰電池組智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)，2011，35(5)：510-513.

Management system for Li-ion battery charging based on CAN bus

Li-ion battery series were applied to equipment as power source.Because of the battery individual difference,the battery discharge characteristics were not consistent.Through the research on the Li-ion battery charging characteristics, PID control algorithm was used to control single battery constant current charging and constant voltage charging.Modules voltage,current and energy information were uploaded through CAN bus in order to implement single battery monitoring,constant voltage charging,constant current charging,over-current protection, over-voltage protection and short circuit protection.In this design,each module was operated independently.After completed charging battery,the results show that equalization is achieved,and the control precision is improved obviously.

CAN bus;Li-ion battery;constant current and voltage charging;VICOR module;PI algorithm with the dead time compensator

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0499-04

2015-08-29

王碩(1988—)，男，河北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)控制，動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)；導(dǎo)師：吳愛(ài)國(guó)(1954—)，男，天津市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置，液壓機(jī)控制，制冷系統(tǒng)控制。