收稿日期：2017-01-16
基金项目：武汉理工大学自主创新研究基金本科生项目(2016-ND-B1-10)
作者简介：聂伟民(1995—)，男，湖北省人，本科，主要研究方向为轮机工程、
聂伟民，向永坤，蔡之洲
(武汉理工大学能源与动力工程学院，
湖北武汉430063)摘要：电池组的均衡技术一直是解决电池组中单体的不一致性的重要手段，基于变压器的反激式双向主动均衡方案由于能量转换效率高而成为国内外研究的主流方向。应用TI 公司的专有集成芯片，
开发了一套适用于电动车锂电池的双向主动均衡的控制硬软系统原型，并通过多次反复的充放电实验证明，此套系统能有效地提升电池包的容量，延长电池包的使用寿命，并且安全可靠。
关键词：锂电池；双向主动均衡；TI 集成芯片；均衡控制器中图分类号：TM 912
文献标识码：A
文章编号：1002-087X(2017)08-1171-03
Design of active bidirectional balancing technology on lithium battery
for electrical vehicle
NIE Wei-min,XIANG Yong-kun,CAI Zhi-zhou
Abstract:The energy balancing technologies applied in vehicle battery pack was an important methodology to resolve the performance inconsistency issue existing among each individual battery cell,
and the active bidirectional
balancing technology based on fly-back transformer was the leading study direction followed by many researchers in the world because of its high energy conversion efficiency.Texas Instruments company's integrated IC with fly-back transformer architecture was selected to develop a controls system prototype both in hardware and software to implement active bidirectional balancing technologies oriented to battery management system on electrical vehicles.A testing system platform was established,and some comparison tests were completed.The data show that this technical solution can increase the energy capacity of battery pack,
and the battery pack usage lifetime can be
extended effectively.In addition,this system showed great benefits on safety and reliability.Key words:lithium battery;active bidirectional balancing;TI integrated IC;balancing controller 在电动汽车的应用中，锂电池是由一定数量的单体串联在一起组成电池组来使用。电池成组后由于制造工艺、材质和运行过程中电池使用环境(温度和通风条件等)存在差异，导致各电池以不同速率衰退，单个锂电池的电压、容量、内阻、自放电等的不一致性使得锂电池组出现 “短板效应”而影响了整体的性能，使得整组性能将差于组内单体电池性能总和。随着时间的推移，电池组不一致性问题加剧，将会严重影响电池组的可用容量、使用寿命和可靠性[1-2]。为了解决电池组的不一致问题，电池组均衡技术是整个电池管理系统(BMS)中必不可少的手段。
均衡分为被动均衡与主动均衡两种方式。被动均衡通过将过限的能量转化成热能释放出去，
保持能量平衡，此种方式因存在能量消耗与热管理问题[3]，已经不再作为研究的重点。主动均衡是通过设计特定的能量变换器，对能量进行重新分 配，它不以消耗能量为代价，成为目前研究的主要方向[4]。国内外对动力电池主动均衡方法进行了深入研究与工程实践，目前主要以电容或电感类器件进行能量转移的非耗散法为主流[3]。本文阐述的是一种基于变压器架构的反激式双向主动均衡系统方案，属于能量转移的非耗散法。
1双向主动均衡系统设计方案
1.1反激式变压器双向主动均衡工作原理
反激式双向主动均衡电路是将变压器副级绕组通过开关管并接在电池组单体电池，将原边绕组通过开关管连接至整个电池组，通过变压器原副边绕组上开关管的通断来实现电荷转移。这样以变压器为核心，
通过磁场和电场的转换，实现能量在电池单体和整个电池组之间的双向传递。
图1为变压器均衡策略工作电路原理图。由
个单体电
池组成的电池组配备一个变压器，变压器的副边通过开关阵列S 1到S +1连接到各个单体电池，变压器的原边也通过开关Sp 连接到相邻电池组的正负级，匝数比将保证原边线圈输出电压是各单体电压的总和。当控制中心检测到某个单体电池电压过高时，发出均衡信号，
相应的单体电池均衡开关接通，
为副边线圈充电进而激发原边线圈输出电压，将电能转递给相邻电池组，保证该组各单体蓄电池电压的一致，这叫顶部均衡。反之，当控制中心检测到某个单位电池电压过低时，发出均衡信号，相邻电池组为原边线圈充电进而激发副边线圈输出电压，
将电能转给电压过低的电池单体，这叫底部均衡[5-6]。通过这种方式，串联蓄电池组中的能量将在各个单体与蓄电池组中进行均匀分配，从而完成能量的均衡过程。
1.2基于TI 芯片的硬件方案
TI(德州仪器)是世界上著名的半导体芯片制造商，为电动车电池管理系统设计开发了很多的集成电路，
其中EMB1428、EMB1499以及EMB1432是三款用于动力锂电池双向主动均衡的比较成熟的IC 解决方案。
本文的均衡控制器正是选取了TI 的以上三款芯片，并采用Freesacle 公司的16位单片机MC9S12HY64作为主CPU 完成了电路设计。
图2所示是硬件架构框路，它是一种基于反激式变压器架构的双向均衡实现方式。
EMB1428是一款可以控制12路开关门电路的集成芯片，其中8路用来控制7个单体电池组成的电池组的开关阵列，另4路用来控制通向DC/DC 反激式变压器的方向开关阵列。当有均衡需求时，
它通过SPI 接收来自CPU 的主控信号，有次序地打开开关阵列中的特定开关，将单个电池与变压器原边相连接。其中8路面向单体电池的开关阵列和4路方向开关
阵列的有效配合，使得电流可以从任何一个单体电池流向整个电池组，也可以从整个电池组流向任何一个单体电池。
EMB1499直接用来控制DC/DC 反激式变压器原副边线圈电路的接通和均衡电流的大小。
它接收来自EMB1428的控制信号适时地打开和关闭相应的开关电路，并反馈均衡过程中的任何故障信息到EMB1428。主CPU 将要求的均衡控制电流大小通过DAC 转换输入到EMB1499，EMB1499通过控制MOSFET 的占空比来控制通过变压器副边的均衡电流大小。此方案的最大均衡电流可以达到5A 。
EMB1432是数字移位寄存器，将采集到的最多14个单体电池的电压信号通过SPI 接口输出到主CPU 。
一个EMB1428和一个EMB1499最多只能控制7个单体电池组成的电池组的均衡，而一个EMB1432可以采集14个单体电池的电压。通常，一个EMB1432可以配合2个EMB1428和两个EMB1429完成对14个单体电池组成的电池组进行均衡控制。本方案中的电池组可分为7个单体电池为一组的上半组和下半组，任何半组中的单体电池的能量只能和相邻半组进行转换。
本方案的优点：(1)TI 的这种隔离式DC-DC 反激变压器主动均衡技术的能源转换效率高达95%，已基本具备大批量生产的条件；(2)采用成熟的国际主流解决方案，具有独立于软件的电芯电压安全保护设计及安全总线，
并有故障自诊断功能，能有效地提升BMS 安全性，满足ISO16262安全标准；(3)均衡控制器硬件全部采用汽车级芯片，满足AECQ-100车用电子验证标准，硬件设计上充分考虑了防振、散热、EMC ，提升了系统的可靠性。
1.3均衡软件控制策略
以单体电池的开路电压来作为均衡的控制目标基本上是所有均衡控制策略都要考虑的。将测得的单体电压用来计算电池组的电压平均值，然后每个单体电压与这个平均值进行比较，如果相差过大(超过一定的限值)，均衡功能激活。但是，单纯地以电池电压作为均衡的判断依据并不十分准确，因为电池的自恢复效应和平台电压现象会使得电池电压不能完全代表电池电量的不平衡状态[7]。而电池的荷电状态(SOC)
会从另外一个方面表征电池个体的充放电能力，
即电池的容量。因此，本方案采用的均衡策略是根据单体的电压和单体容量来交替进行的。
单体电池的SOC 估计方法采用常用的安时法，通过不断地对充电电流进行积分，计算出消耗的或充入的电荷量，从而得到电池的可用剩余容量值。但是，
这种方法如果仅仅依靠充电电流的变化来估算SOC 是不够精确的，
在实际应用中还要用测得的电池开路电压、电池环境温度等因素来对最终的SOC 结果进行修正。
图3是均衡控制软件的主要控制策略逻辑描述。
1.4电池管理系统拓朴
BMS 由主控制器、高压控制器和均衡控制组器等组成，其中均衡控制器有多块，每
个电池组一块，其网络拓扑结构如图4
所示。
图1
基于变压器架构的均衡电路原理图
图2基于TI 均衡方案的硬件框路
主控制器通过CAN0与诊断标定工具及整车相关的其他控制器接口，而通过CAN1与电池包里面的高压控制器和多个均衡控制器进行通讯。高压控制器主要是采集高压相关参数信息，例如整个电池包的总电压、总充放电电流等，并将信息反馈给主控制器。均衡控制器可根据电池包的单体电池数量进行堆叠，
最多可扩展至32块，总电压可达1500V 。单块均衡控制器可管理的单体电池数可配置，最少2节电池，最多监控14节电池。
2实验验证
2.1实验平台搭建
本次实验采用了优科利尔能源设备公司的YKLE-BTS500V300A 型号的充放电设备，
额定功率为150kW ，实验平台搭建如图5所示。一台主控PC 机通过TCP/IP 网口与充放电设备相连接，根据实验步骤的需要实时获取和控制充放电电压、
电流的大小。同时主控PC 通过USB 转CAN 适配器与BMS 主控器相连接，实时获取电池组中的单体电压、温度及SOC 等的变化情况。
本实验方案所用的电池包中一共有4组电池，每组含12个单体电池。4个独立的均衡控制器对每组电池进行均衡控制。单个电池电压是3.3V ，整个电池包的输出电压是158V ，放电标称容量约为100Ah 。
2.2实验结果分析
实验过程中对同一个电池包进行均衡关闭和均衡开启对照充放电测试。先在无均衡模式下对电池包进行一定数量的充电循环，获得电池包的容量初始状态，然后分别进行开启电压均衡模式、
电压和SOC 交替的均衡模式，对电池包进行一定循环次数的充放电作业。记录每阶段充放电开始和结束时的电池单体电压和电池容量的变化。
(1)在电压均衡模式实验结束时，截取电池箱体中第一组电池的电压数据进行均衡前后对比，
结果如图6所示。开启电压均衡后，
电池组的单体间电压不平衡程度得到了有效改善，前后均方差分别是184和134mV 2，改善比例约为27%。
(2)在电压均衡模式实验结束后，接着启用电压均衡和SOC 均衡交替模式后，得到的电池包容量变化如图7所示。如果只开启电压均衡模式工作，电池包的总容量有一定的提升，从无均衡时的初始状态60Ah 上升到69Ah 后基本止住，然后随着充放电循环的继续进行，
开始往下降的方向进行。在第6个循环结束时启用电压均衡和SOC 均衡交替模式，电池包的容量又开始上升，
并到82Ah 时趋于稳定，表明此时已达到了最大的可用放电容量。电压和SOC 交替进行的双向主动
均
图3
基于电池电压和SOC 交替的均衡软件逻辑
图4BMS
网络拓扑结构
图5锂电池充放电实验平台搭建
均衡前电压
均衡后电压
3 034
3 093
2 753
2 753
3 117 3 068 2 876 2 955
3 116 2 856
3 116
3 030 3 073
2 567
2 548
3 030 2 895
2 761
2 692
3 012 2 652
3 020
3 022
2 954
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
5 000
4 0004 5003 0003 5002 0002 5001 0001 5000
500U /m V
单体电池序号
图6电池组1中各个单体电池电压均衡前后的数据对比
60.2
64.7
66.3
69.6
68.2
68.0
75.6
81.1
81.9
82.0
1
2
3
4
5
6
7
9
1011
8
100120020406080Q /A h
充放电循环次数
图7双向主动均衡模式对电池包总容量的提升
(下转第1197页)
于封装的频繁项集。将频繁项集采用类的形式进行存储，类中包含了频繁项集名称，置信度和支持度等信息，这样便能够在计算备选集时直接得到支持度等信息。其次是将电力系统数据库的数据先存储到多
维数组中，频繁项集的操作针对数组进行，降低了对数据库的访问次数。通过以上改进，再辅佐以各种剪枝算法，就可以极大地提高Apriori 算法的运行效率。
3结语
将大数据技术应用于智能电网是智能电网产业发展的趋势，也是智能电网发展的必经之路。本文针对智能电网发展过
程中数据属性复杂、关系混乱但又密切这一特点，对智能电网大数据关联性分析进行研究，并且提出了一种关联性分析模型和基于电力系统数据特征的改进Apriori 算法，大大提高了系统数据的关联性分析。
参考文献：
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马金刚，
胡志帅，曹慧，等.基于关联规则挖掘的方剂配伍规律初步研究[J].中国实验方剂学杂志，2013(4)：351-353.
衡方式使得整个电池包的总容量比无任何均衡作用时提升了大约28%。
3结论
本文通过实验证明，采用先进的DC/DC 主动均衡技术，利用TI 成熟的芯片硬件方案，
以及基于单体电池开路电压和SOC 交替的均衡控制算法，能最大限度地提升电池包的容量，延长电池包的使用寿命。电池组内各单体性能相差越大时，主动均衡效果越明显。已进行的测试数据表明，与被动均衡或不均衡相比，
此主动均衡方案提升电池包容量达到28%以上。采用成熟的国际主流解决方案，具有独立于软件的电芯电压安全保护设计及安全总线，能有效地提升BMS 的安全性和可靠性。
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等.锂电池组可用剩余容量计算方法研究[J].电子工业，2010，15(5)：259-262.
发出报警并记录，
同时对路灯下达相关执行指令。上位机系统设计自动运行模式和手动控制运行模式。处于自动运行模式时，根据路灯安装地的经纬度计算每天太阳升起与降落时间，
进而确定路灯开启和关断时刻。处于手动控制模式时，可手动对全部或部分ZigBee 终端的执行器下达命令进而控制路灯通断，可以保证极端恶劣条件下城市道路具有良好的通行条件。
4结束语
本文设计的智能路灯控制系统，可根据路灯运行参数和道路实际情况实现对路灯的智能控制，系统免布线施工简单、
功耗低、硬件成本低、方便维护。该系统的使用可以节省路灯管理的人力与物力支出，提高运行效率，对实现智慧城市具有积极的推动作用。
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李秀梅，孙晨林.基于Labview 的信号处理虚拟实验平台[J].杭州师范大学学报：自然科学版，2014，13(6)：669-672.
(上接第1173页)
(上接第1192页)
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