24V/20A磷酸铁锂电池管理系统的硬件设计

引 言

磷酸铁锂（LiFePO4） 电池是一种新型、高效， 采用磷酸铁锂材料作为正极的锂电池，其工作原理是当电池放电时， Li+ 从负极中脱出，经电解液和隔膜进入正极 ；当电池充电时， Li+ 从正极脱出，经电解液和隔膜进入负极。该电池具有寿命超长、高安全性、污染小、体积小重量轻、电池单体电压高， 放电平台稳定等优点，但同时也存在导电性能较差、锂离子扩散速度慢，振实密度低，电池组一致性较严重，低温性能差， 制造成本较高等问题。

为了充分发挥其最佳性能， 需要配合电池管理系统（Battery Management System，BMS）对电源系统进行管理和保护。在电池使用过程中对电池的充放电电流、电压等参数进行跟踪、记录、管理和控制，为电池的维护保养和合理使用提供更多有力依据，并增加电池使用寿命。电池管理系统作为电池系统的重要组成部分，虽然在检测精度、可靠性和耐久性等方面取得了一定进步，但还有很多问题没有得到解决，比如如何最大限度利用电池的电量，电池如何在变化的气候工况下工作，电池的剩余电量如何指示，如何对电池进行快速充电， 如何延长电池的使用寿命等。

目前磷酸铁锂电源系统智能化程度低，通用互换性差， 故从电池应用的实际需求出发，设计一个在使用中可以输出24V/20 A 直流的磷酸铁锂电池管理系统，该系统具有数据采集、状态控制、温度管理、均衡管理等功能，系统可以通过串、并联等多种组网方式对外提供多种直流电。并对磷酸铁锂电池管理系统的硬件架构等技术展开系统研究，硬件采用MKE02Z64VQH2 微控制器和MAX17830 架构设计方案，采用ARM-M0+ 内核的KinetisE 系列 MCU 作为系统的主处理器对数据及系统的运行状态进行管理。

1 电池管理系统的基本结构

磷酸铁锂电池管理系统首先进行数据采集工作，模块采集电池的放电电流、电压以及温度等信息数据，再由控制单元（ECU）进行电流、电压、温度等数据的处理，根据数据处理结果由控制系统对执行机构发出控制指令，并向外界传递信息。据此原理，美国托莱多大学设计出了电池管理系统的结构框图。在该磷酸铁锂电池管理系统的结构框图中，电池管理系统被简化为 1 个ECU 和 1 个均衡器（EQU）。系统中 ECU 的主要功能包括数据采集、数据传送、数据处理和末端控制。

图 1 所示为韩国Ajou 大学研发的电池管理系统。图中展示了电池管理系统各模块的基本结构与模块之间的逻辑关系。从车载电池应用的实际需求出发，根据电池供电系统方便、简洁、安全、高效的要求，结合电池应用中磷酸铁锂电池系统硬件设计的特殊情况，设计磷酸铁锂电池管理系统，该系统在使用过程中可输出 24 V/20 A 直流。从整体供电进行系统设计和硬件设计，电池管理系统采用二级拓扑结构，硬件采用MKE02Z64VQH2 和MAX17830 嵌入式结构。

2 电池管理系统的基本功能

目前，国内外所设计的电动汽车用BMS 通常具有数据采集、剩余容量（SOC）估算、电气控制（充放电控制、均衡充电等）、安全管理和控制以及热管理等功能。

在 BMS 中，数据滤波处理、采样频率和采集精度等数据采集的源头环节非常重要。BMS 须采集每个单体电池的电压及每个单体电池的温度以保证磷酸铁锂等锂离子电池的安全要求。

BMS 系统的关键在于确定电池的剩余容量（SOC）。传统的SOC 估算方法包括开路电压法、内阻法、安时法等。近年来随着控制算法的进步又相继研发出SOC 新型算法，如卡尔曼滤波估计模型的算法、模糊逻辑算法模型的算法、自适应神经模糊推断模型的算法及新出现的线性模型法的算法和阻抗光谱法的算法等。

电气控制需要根据SOC 以及温度变化来限定放电电流大小；控制充电过程包括均衡充电等。电气控制中通过结合使用电池技术和电池类型技术，设置一个控制充放电的算法，并将该算法作为充放电控制的标准，因而可最大限度提高电池利用率。

3 磷酸铁锂电池 BMS硬件设计

磷酸铁锂电池管理系统的核心架构是MKE02Z64VQH2 和 MAX17830，采用M0+ 内核的KinetisE系列MCU作为系统的微处理器，既可有效保障管理系统的高速运行，又可实现低功耗的目的；使用 MAX17830对系统的 8节磷酸铁锂电池进行管理。系统的硬件功能模块组成包括稳压模块、电压采集与均衡模块、电流采集模块、温度采集模块、充放电控制模块、通信模块以及显示控制模块。

考虑到系统的稳定性， 本系统采用基于 MAX17830+ ARM-M0+ 的硬件架构进行设计，使用 KE02 微控制器对整个系统的运行状态进行管理，结合实际需求，设计如图 2 所示的系统架构。

该系统由额定电压为3.2 V的磷酸铁锂8 节单体电池串联， 电压采用通道 8 路的方法，需要在设计上通过MAX17830 电压管理芯片来完成磷酸铁锂电池的电压信息采集工作，并通过AD 采样的KE02 主控制器将MAX17830 模拟电压转换为数字量，用于模拟数字和后续处理。整个系统的温度检测采用DS18B20 与铂电阻温度计相结合的策略，对整个系统的温度进行检测和监控，使用加热模块控制电池温度，改善低温运行状况。KE02 主控制器负责数据的处理和分析，对电池的健康状态进行评估，控制系统的充、放电状态，并通过串口和液晶屏进行信息交互。此外，本系统外挂的SPI 存储芯片可存储重要的数据。

若长时间使用会影响磷酸铁锂电池的安全性和寿命，因此需要对电池组进行均衡管理。该均衡管理系统采用电池均衡管理活动下的均衡管理策略，使用飞思卡尔生产的KE02 系列芯片进行电池电压的模数转换任务，由于 KE02 芯片的工作电压为 5 V，因此模数转换的最大转换电压为 5 V，如果直接对电池组进行检查则会超出测量量程，无法实现电压采集功能。为解决这一问题，使用电压采集芯片MAX17830 进行电池电压的采集工作，KE02 芯片控制MAX17830 芯片打开对应的电压通道，实现对指定电池端电压的采集，且可通过MAX17830 芯片内部集成的MOS 驱动阵列实现对电池组的均衡管理。

4 结 语

本文根据车载应用的实际需求和电池应用的特殊环境， 以及车载磷酸铁锂电池方便、简洁、安全、高效的需求，从整体供电进行系统设计和硬件设计。电池管理系统采用二级拓扑结构，硬件采用MKE02Z64VQH2 和MAX17830 嵌入式结构，研究了数据采集，状态监控，安全管理等方面的问题， 并设计了具体的应用电路，该系统可以输出 24 V/20 A 直流电。