基于实现电池组串并联切换的管理系统研究

近年来，随着新能源电动汽车产业的快速发展，其相关材料制造及组装技术也在不断趋于成熟。对于电动汽车的供能系统而言，电池包及其内部电芯的组成结构是影响电动汽车充电效率、电芯容量和使用寿命的一个关键因素[1-2]。电池包是由若干节电芯通过串并联组成电池组，再由若干电池组组合而成的，目前新能源厂商多数采用先并联后串联的方式，将电池组串联构成电池包[3-4]。串联结构的优势在于可为电机提供足够高的输出电压并防止出现过大的电流造成电路的损毁，避免了供电电压不一致时，并联结构中在电池包内部形成回路的安全隐患。但由于电芯的差异性，充电时，串联结构中每个电池组分得的电压会因本身的内阻和极化程度不一而不同，从而导致电池组充电不均的情况[5]。在此情况下，如果保护电路启用过充保护，则将有一部分电芯保持未充满状态，电池利用率低；如果不启用过充保护，则会对已经充满的电芯造成过充损害，严重影响电芯及电池组寿命[6-7]。

为了解决上述问题，本文以提升电池组利用率为目标，设计并开发了一套以CSU38M20芯片作为微控制单元(MCU)的串并联切换管理系统，根据电芯状态和充放电的需要对电路中继电器的开合进行控制，从而改变电池组连接结构，实现电路系统串并联结构的切换，保证电池组充放电均匀。同时利用CSU38M20芯片的电压监测功能读取各个电池组的电压，通过异步串行(UART)端口发送实时数据到单片机并进行处理，进而实现对整个电池包的全面保护和管理。本文采用磷酸铁锂/石墨18650电芯，以两串三并(2p3s)的结构组装电池组，通过对样品电芯进行实验和监测，验证了串并联切换管理系统中电路设计和构造方案的可行性及其控制的有效性。

系统结构设计

综合电池组串联与并联的优劣势可知，多个电芯在不同充放电状态下的串联、并联结构切换可以有效解决单纯串联或并联所带来的问题和风险。在本系统结构设计中，通过采集各个电池组的电压，判断电池包所处状态，并根据充放电指令确定电芯连接结构，及时调整各个继电器开关状态，并实现各个电池组的电量均衡。

基于电池组串并联切换的智能充电系统由三个模块组成，包含串并联切换模块、智能控制模块和电芯保护模块，串并联切换电路系统整体框图如图1所示。

图1 串并联切换电路系统整体框图

每个电池组都由各自的电池保护模块提供安全保护。电池组之间的连接结构、电路通断则由MCU控制的继电器开关相连，用于实现串联或并联的连接方式。电压采集模块采用差分信号的监测方法，每个电池组均有独立的电压采集线接入MCU中。继电器开关、MCU和电芯保护模块均使用系统提供的5 V直流信号作为电源。

模块设计与功能

2.1 串并联切换模块

在本设计中，使用继电器作为开关来控制电路以实现串并联切换。在实际应用过程中，因为继电器将低压的控制电路和高压的外部电路连接在一起，很容易产生干扰并发生安全事故，故加入光耦隔离电路作为防干扰的保护措施，使切换模块变得更加安全可靠。电池包中继电器开关分布如图2所示，切换模块工作后的等效电路如图3所示（为了便于理解，在本图中以开关符号代替继电器符号），本设计以3个电池组构成电池包的形式进行实验与测试。

图2 电池包中继电器开关分布

图3 并联（左）与串联（右）等效电路图

由于电池组通常以串联的形式供电，因此在本设计中，将负责并联功能的继电器（并联开关）的常闭接口和电路相连，负责串联功能的继电器（串联开关）的常开接口和电路相连，保证即使在电池组串并联切换功能失常的情况下，依然可以正常为负载供电。电池组与继电器的具体电路图如图4所示，其中绿色模块BT1～BT3为由电芯和保护电路构成的电池组。

图4 电池组与继电器电路图

2.2 智能控制模块

智能控制模块由MCU与控制电路构成，该模块的主要功能为：判断电池包的实时状态，监测各个电池组实时电压，通过控制输出端口高低电平的输出，从而控制电路中所有继电器开关，实现电路串联和并联切换的功能。该模块的具体原理为：MCU选用CSU38M20芯片来实现对整个电路的控制，CSU38M20芯片是一款锂离子电池的MCU芯片，包含UART与I2C端口、电平输入与输出端口，其中UART与I2C端口使得芯片可以与其他主机进行通信，电平输入端口可以用来监控若干节锂离子电池的电压，电平输出端口可以输出高/低电平以控制开关进行串并联状态的切换。通信端口与充电机或电池管理系统相连，检测充电机具备的输出能力并判断电池包当前所处状态；电平输入端口和锂电池相连，以差分电压的形式为监测芯片提供数据，MCU以此来判断控制电路所处状态并进行相应操作。智能控制模块电路如图5所示。

图5 智能控制模块电路

智能控制模块在收到指令后首先通过监测到的电池电压判断电池包当前所处状态（充电、放电、静置），同时确保所有连接到控制开关的输出端口均为无输出状态以保证电路安全。当通信模块收到充电指令时，与充电机通信，检测充电机具备的输入能力，根据充电机的输入能力，配置不同的充电方式，并根据需要为不同的输出端口配置不同的输出电平以实现电路结构的切换，输出端口为图5中所有与S11～S23连接的端口。当通信模块收到放电指令时，基于电池包在放电时需要以并联形式供电的情况，MCU控制与并联开关连接的端口全部输出高电平，与串联开关连接的端口保持关断状态。

2.3 电芯保护模块

由于电路中存在多个开关，在为整体电路以及MCU程序进行周密的安全性能设计之后依然需要防止短路情况的出现，因此电芯保护模块主要用于对单个电池组的短路保护。电路设计中选用艾普凌科电池保护集成电路芯片(IC)，具体IC型号可以根据需要保护的电芯数量决定，本设计中采用S-82A1A系列电池保护IC与单个电池组进行连接并接入到整体电路中，以防止过充、过放和过流情况的出现，其电路图如图6所示。

图6 电芯保护模块电路图

VM为外部负电压输入端口，VINI为过电流监测端口，可以判断电池当前电压是否位于正常范围内；CO与DO分别为充电控制用场效应晶体管(FET)门极连接端口和放电控制用FET门极连接端口，两个端口与两个反向连接的N沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相连。以充电情况为例，DO端口持续输出低电平，电芯电压位于安全电压范围内时，CO端口输出高电平至MOSFET的G极，MOSFET导通，整体电路形成通路；若电芯电压高于过充电检测电压，则CO端口输出低电平，MOSFET断开，整体电路形成断路，从而达到保护电芯和电路的目的。

系统实现及数据测试

为了验证该智能管理系统的可行性，制作了实验样机。实验电路中采用2个电芯磷酸铁锂/石墨18650型电芯并联构成一个电池组，共三组电池组串联的形式作为控制对象进行实验。实验数据经过MCU传输至电脑端，便于对实时状态进行判断和监测。实验样机如图7所示。

图7 实验样机

实验以串并联交替切换的形式共进行了10组测试，每组测试中均进行一次串联和并联的切换，且保证每组测试时电池包的电量状态均不相同，测试所得数据如表1所示，电压测量误差均值为0.67%，电压采集的误差较小，说明该电池系统的采集功能较好，可以保障MCU根据精确的电压信息更好地控制电路系统。

表1 电压采集数据表

结 束 语

为了使得新能源电动车系统中的电芯利用率更加高效安全，且电池包结构更为灵活，本文基于CSU38M20芯片设计了一种高效低成本且安全的电池组串并联切换智能管理系统。本智能管理系统可精准有效地监测电池包内各个电池组的电压信息，测量误差均值为0.67%。同时，MCU接收到切换指令后控制继电器工作，电路系统整体平稳，未出现较大的电压和电流波动，电池组的串联结构和并联结构随继电器开关的通断而有序地切换。该智能管理系统可有效地在电池充电、放电的过程中监测各个电池组状态，并及时进行结构调整，从而提升充放电效率，稳定电池组运行环境，进而提高新能源电动车的安全系数。

参考文献：

[1] LU L, HAN X, LI J, et al. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 226: 272-288.

[2] XIAO X, QIAO L, LI S. A Li-ion battery management system based on MCU and OZ8920[J]. Procedia Engineering, 2012, 29: 738-743.

[3] 南金瑞，孙逢春，王建群.纯电动汽车电池管理系统的设计及应用[J].清华大学学报（自然科学版），2007，47(S2)：1831-1834.

[4] 乔旭彤，耿海洲，董峰.集中式电动汽车电池管理系统设计[J].电子测量与仪器学报，2015，29(7)：1019-1027.

[5] 王灿烨，刘庚辛，王鑫泉，等.基于主动均衡策略的电动汽车用锂电池管理系统设计研究[J].汽车技术，2018(6)：5-10.

[6] 何秋生，徐磊，吴雪雪.锂电池充电技术综述[J].电源技术，2013(8)：1464-1466.

[7] 姜长泓，徐宏.矿用锂离子电池主动均衡控制系统的研究[J].电气传动，2018，48(4)：37-40.

作者：任嘉祥，董新华，王星，沈力，沈文卓单位：上海交通大学 电子信息与电气工程学院

上海碳源汇谷新材料科技有限公司

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