鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 研究目的與意義

一、鋰電池管理系統(tǒng)概述

二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，鋰電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。由于鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，自放電率低，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，體積小，重量輕及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸替代鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池，成為動(dòng)力電池的主流。近年來(lái)，鋰電池也被研究人員用在水下機(jī)器人和電動(dòng)汽車(chē)上作為動(dòng)力能源，鋰電池的管理和應(yīng)用成為水下機(jī)器人和電動(dòng)汽車(chē)等發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電池管理系統(tǒng)直接檢測(cè)及管理儲(chǔ)能電池工作的全過(guò)程，包括電池充放電過(guò)程管理、電池溫度檢測(cè)、電池電壓電流檢測(cè)、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個(gè)方面：

（1）電池充放電過(guò)程管理：即實(shí)時(shí)監(jiān)控電池充放電時(shí)的溫度、電壓、電流等參數(shù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)做斷開(kāi)充電電路，發(fā)出報(bào)警信息等相應(yīng)處理。

（2）電池溫度檢測(cè)：即對(duì)電動(dòng)車(chē)蓄電池單個(gè)電池進(jìn)行溫度檢測(cè)，依據(jù)電池類(lèi)型設(shè)定該型號(hào)電池安全溫度參數(shù)范圍，在發(fā)現(xiàn)溫度不在安全范圍時(shí)做相應(yīng)處理，并發(fā)出報(bào)警信息，提示問(wèn)題電池的位置。

（3）電池電壓電流檢測(cè)：即檢測(cè)蓄電池各組電壓、電流，依據(jù)檢測(cè)參數(shù)來(lái)通過(guò)算法判斷電池好壞，并估算剩余電量。

（4）電量估計(jì)：即電池剩余電量的測(cè)量，依據(jù)所測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)（State of Charge，即SOC）。

（5）單體電池間的均衡：即為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。

（6）電池故障診斷：即依據(jù)所測(cè)單個(gè)電池溫度、電壓等參數(shù)對(duì)比其正常參數(shù)范圍做出診斷處理。

目前，電池管理的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于：

（1）如何根據(jù)采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，建立確定每塊電池剩余能量的較精確的數(shù)學(xué)模型，即儲(chǔ)能電池的SOC狀態(tài)計(jì)量技術(shù)。

（2）儲(chǔ)能電池的快速充電技術(shù)及均衡充電技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是目前世界正在致力研究與開(kāi)發(fā)的另一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

二、鋰電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國(guó)外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著近十年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)研究和使用的不斷升溫，國(guó)外一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商針對(duì)各種電池作了大量研究及試驗(yàn)，總結(jié)出電池的數(shù)學(xué)模型，并成功開(kāi)發(fā)出許多電池管理系統(tǒng)裝在車(chē)上試用。比較有代表性的有：德國(guó)Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)；德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)；美國(guó)通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironment公司開(kāi)發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國(guó)AC Propulsion公司開(kāi)發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。

1、BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)BADICHEQ系統(tǒng)是以Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首在1991年開(kāi)始設(shè)計(jì)的，并于1991年12月首次裝車(chē)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和修改，于1992年4月達(dá)到如下功能：

● 能同時(shí)對(duì)20個(gè)電池單元進(jìn)行電壓測(cè)量；

● 能進(jìn)行電流和溫度測(cè)量；

● 能根據(jù)電池單元對(duì)主充電機(jī)的充電電流進(jìn)行控制；

● 能用一個(gè)小的充電機(jī)對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行均衡充電；

● 能儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)和與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；。在儀表盤(pán)上顯示最差電池單元的剩余電量、電池電流、實(shí)際電池電量以及各種異常報(bào)警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統(tǒng)的改進(jìn)，它有以下特點(diǎn)：

● 它的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是在每個(gè)電池單元上加一個(gè)非線性電路（WLC）來(lái)測(cè)量電壓，并將一個(gè)電池組的八個(gè)單元電壓都通過(guò)一條信號(hào)線傳遞給BADICOaCH系統(tǒng)，并在那里解碼；

● 裝有兩條PWM信號(hào)輸出線來(lái)控制充電電流和電壓的大??；

● 最差電池單元的剩余電量被顯示出來(lái)；

● 給最差電池單元以過(guò)放保護(hù)，給出停止使用信號(hào)；

● 對(duì)最近24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯并允許在對(duì)電池好壞作判斷時(shí)進(jìn)行快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況；

● 與PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。

2、BATTMAN系統(tǒng)德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN電池管理系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了將所有的不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理。之所以要這樣做，是根據(jù)對(duì)不同型號(hào)的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認(rèn)為這些共同的部分是：

● 決定電池能存貯的電流能量；

● 決定最弱電池單元的剩余電量；

● 能影響電池的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的記錄；

● 溫度的測(cè)量。

3、EV1的電池管理系統(tǒng)通用汽車(chē)公司推出的EVl電動(dòng)汽車(chē)由26個(gè)鉛酸蓄電池供電，放電深度80%，電池壽命是450個(gè)深放電周期，113公里市內(nèi)行駛里程（美國(guó)環(huán)保局指標(biāo)，USA EPA Schedule）， 145公里高速公路行駛里程（美國(guó)環(huán)保局指標(biāo)，USAEPASchedule）。

EV1的電池管理系統(tǒng)概念定義包括四個(gè)組成部分：

● 電池模塊（用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)和其它用電系統(tǒng)）；

● 軟件BPM （Battery Pack Module）；

● 電池組熱系統(tǒng)；

● 電池組高壓斷電保護(hù)裝置（High Voltage Disconnect）。

可見(jiàn)，EVl的電池管理系統(tǒng)的核心是BPM.BPM有以下功能：

● 單電池電壓監(jiān)測(cè)；

● 電池組電流分流采樣；

● 電池組高壓保護(hù)（保險(xiǎn)絲）；

● 六個(gè)熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣；

● 以電池組的平均特性控制充電；

● 過(guò)放電報(bào)警并降低電動(dòng)汽車(chē)行駛性能；

● 電量或里程計(jì)算；

● 高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）。

總的說(shuō)來(lái)，EVl的電池管理系統(tǒng)與一般意義上的電池管理系統(tǒng)有區(qū)別，它把系統(tǒng)側(cè)重點(diǎn)放在了電池組的可靠性（Safety Features）上。

EVl電池管理系統(tǒng)的可靠性措施有：

● 電池組高壓斷電保護(hù)裝置；

● 手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)；

● 地線絕緣失效檢測(cè)；

● 自動(dòng)開(kāi)關(guān)與手動(dòng)開(kāi)關(guān)連鎖。

4、SmartGuard系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在電池上裝有一個(gè)分布式的管理裝置（用了專(zhuān)用IC）來(lái)測(cè)量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號(hào)來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。

SmartGuard的主要功能有：

● 過(guò)充檢測(cè)并防止過(guò)充；

● 提供放電極性反向報(bào)警；

● 電池歷史記錄和歸檔；

● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

5、BatOpt系統(tǒng)該系統(tǒng)由每個(gè)電池上的監(jiān)控模塊和中心控制單元組成一個(gè)分布式系統(tǒng)。通過(guò)two_wire總線，監(jiān)控模塊向主控單元報(bào)告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動(dòng)和自動(dòng)充電策略，它有如下特點(diǎn)：

● 每個(gè)模塊提供5安培的均充電流；

● 模塊有溫度監(jiān)控；

● two_wire總線接口。

6、深海領(lǐng)域的電池管理系統(tǒng)隨著鋰電池在潛水艇、水下機(jī)器人等深海領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些科研機(jī)構(gòu)和電池供應(yīng)商成功開(kāi)發(fā)出適合在深海領(lǐng)域應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。比如Bruce M.Howe等為MARS海洋觀測(cè)系統(tǒng)研制的鋰電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的監(jiān)控單元向上級(jí)控制單元報(bào)告電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)需要更換電池時(shí)便通知上級(jí)控制單元返回碼頭更換電池。監(jiān)控單元管理電池的電壓、電流、溫度等信息，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

● 溫度保護(hù)功能，只有在0 ~ 45 o o C C才可進(jìn)行充電；

● 過(guò)流保護(hù)功能，充電電流低于0.7C（C為電池容量）；

● 短路保護(hù)功能；。電池組高壓保護(hù)（保險(xiǎn)絲）；

● 過(guò)充保護(hù)功能，單體電池電壓超過(guò)4.3V時(shí)停止充電；

● 過(guò)放保護(hù)功能，單體電池電壓低于3.2V時(shí)停止放電；

Phoenix公司為海軍的無(wú)人水下機(jī)器人研制的鋰電池管理系統(tǒng)采用三級(jí)分布式設(shè)計(jì)，按單體電池、電池模塊和電池組三個(gè)等級(jí)進(jìn)行管理。每個(gè)單體電池上都有最低級(jí)別的控制單元，對(duì)單體電池進(jìn)行充放電保護(hù)。電池模塊可按電壓或電流的需要通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成電池組。

三級(jí)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)時(shí)讀取每節(jié)電池的工作數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制每節(jié)電池和電池組的工作。

該電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

● 短路和過(guò)載保護(hù)功能；

● 過(guò)充和過(guò)放保護(hù)功能；

● 故障后1秒內(nèi)自動(dòng)重啟；

● 單節(jié)電池關(guān)斷功能，關(guān)斷故障電池后，系統(tǒng)內(nèi)剩余電池仍可正常工作；

● 電壓、電流和溫度的實(shí)時(shí)報(bào)告功能；

● 過(guò)溫保護(hù)功能，單節(jié)電池超過(guò)135 ℃自動(dòng)關(guān)斷；

電池管理系統(tǒng)如下圖所示：

國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)，仍然處于起步階段。目前主要是一些高校，依托自己的科技優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商共同開(kāi)展研究，如清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等等，都取得了豐碩的成果：清華大學(xué)為EV-6580輕型電動(dòng)客車(chē)配套的電池管理系統(tǒng)。在行駛過(guò)程中可對(duì)電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，防止過(guò)充電、過(guò)放電，提高了電池壽命和效率，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

同濟(jì)大學(xué)和北京星恒電池有限公司的鋰離子電池管理系統(tǒng)主要功能有：

電流電壓及電池模塊溫度的采集，SOC估計(jì)，自動(dòng)均衡，事故處理與記錄等。

北京航空航天大學(xué)研制的鎳氫電池管理系統(tǒng)主要功能有：

電流電壓及電池箱溫度的采集，SOC估計(jì)，運(yùn)行狀態(tài)判斷和保護(hù)功能等。

春蘭研究院的HEV-BMS主要功能有：