一種新型鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，鋰電池在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，電池的應(yīng)用與管理變成了各種設(shè)備發(fā)展中一種非常關(guān)鍵的技術(shù)。本文通過對(duì)鋰電池技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種新型的關(guān)于鋰電池的管理系統(tǒng)，并介紹了實(shí)現(xiàn)方法。該鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)施了分布式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)容包含有電量估計(jì)，電池充電與放電，單個(gè)電池間的均衡等功能本地測(cè)量模塊，具體分析了實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

　　本世紀(jì)初以來，鋰電池生產(chǎn)與研究獲得了非常大的突破，因其擁有的諸多良好優(yōu)點(diǎn)，如放電電壓穩(wěn)定，自放電率低，工作溫度范圍寬，無記憶效應(yīng)，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，重量輕，體積小等特點(diǎn)，已經(jīng)慢慢地代替了傳統(tǒng)的鎳鎘蓄電池及鉛酸蓄電池，在社會(huì)生產(chǎn)和生活的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，變成了目前主流的動(dòng)力電池。因?yàn)樵阡囯姵貎?nèi)部，其化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，在人們不斷完善電池自身性能的同時(shí)，也在對(duì)電池的管理技術(shù)及使用進(jìn)行不斷的研究，以增加電池使用壽命，提高電池效率，最大地發(fā)揮電池性能。

　　電池管理系統(tǒng)(BatteryManagementSystem，BMS)，它涉及微電腦技術(shù)及檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)地監(jiān)控電池單元及電池組的運(yùn)行狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算電池的剩余電量，對(duì)電池實(shí)施充放電保護(hù)，促使其處在最佳工作狀態(tài)，降低運(yùn)行成本，提高使用壽命。本文綜合了國(guó)內(nèi)外的一些先進(jìn)成果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的鋰電池管理系統(tǒng)。本管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化、分布式的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包含2級(jí)的控制結(jié)構(gòu)，即本地測(cè)量模塊與中央處理模塊。其中，中央處理模塊主要的功能為利用RS232接口和上位機(jī)實(shí)施通信，以CAN總線網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行和本地測(cè)量模塊連通;本地測(cè)量模塊主要的功能為數(shù)據(jù)采集(主要為溫度、電流及電壓的數(shù)據(jù)采集)，充放電控制，電量測(cè)量，單個(gè)電池均衡及利用CAN總線技術(shù)與中央處理模塊通信等。

　　1管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

　　本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)，主要是應(yīng)用在電動(dòng)車及一些水下設(shè)備，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，可擴(kuò)展性強(qiáng);系統(tǒng)的各種參數(shù)技術(shù)準(zhǔn)確度要高。因此，本電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)以下各種功能：

　　1)實(shí)時(shí)采集電池信息，包含電池組總電壓，單個(gè)電池電壓，充放電電流及溫度等參數(shù);

　　2)測(cè)量和顯示剩余電量;

　　3)能夠提供數(shù)據(jù)傳輸接口，完成和CAN總線部分及上位機(jī)的通信;

　　4)人機(jī)交互功能好，系統(tǒng)安全、可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾性。

　　電池管理系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　在圖1中能夠看出，本鋰電池管理系統(tǒng)包含2級(jí)的控制結(jié)構(gòu)，分別是中央處理模塊(CentralElectricControlUnit，CECU)、本地測(cè)量模塊(LocalElectricControlUnit，LECU)，中央處理模塊和本地測(cè)量模塊是以CAN總線的形式實(shí)現(xiàn)通信連接。本電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，本地測(cè)量模塊的主要功能是進(jìn)行對(duì)電池組的充電，組成模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊(為要為電流，電壓，溫度等的數(shù)據(jù)采集)，均衡模塊，充電模塊，電量測(cè)量模塊等;中央處理模塊主要是進(jìn)行本地測(cè)量模塊的管理，利用CAN總線通信方式，進(jìn)行控制信息的發(fā)送和電池狀態(tài)信息的接收。本文僅對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵的模塊進(jìn)行介紹。

　　2本地測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)

　　2.1電壓采集模塊

　　單電池端電壓，其為實(shí)施電池剩余電量計(jì)算，充放電方式選擇，以及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的一個(gè)主要依據(jù)，所以對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控的前提條件，就是要有一個(gè)合理的單電池端電壓測(cè)量方法。然而因?yàn)殡姵亟M中電池?cái)?shù)目多，總的電壓比較高，測(cè)量的精度要求高，因而實(shí)施電源測(cè)量的難度比較大。電壓監(jiān)測(cè)方案的工作原理是：第一步，MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2(n為數(shù)1至7之間)，同步把電容與與之對(duì)應(yīng)的單元電池兩端實(shí)施對(duì)接，開始電容充電，達(dá)到電容電壓與單元電池電壓相同的目的;第二步，將MCU控制多路開關(guān)Kn-1、Kn-2進(jìn)行斷開，并把開關(guān)K1及K2合上，接到單片機(jī)的A/D模塊實(shí)施測(cè)量。在測(cè)量的時(shí)候，基于防止因電池端電壓不穩(wěn)定造成影響結(jié)果的考慮，模塊采用選取多次測(cè)量平均值的辦法。該方案能夠很方便地使用微處理器內(nèi)部A/D單元，不要額外增加A/D模塊，提高了設(shè)計(jì)的效率，節(jié)省了成本。通常在實(shí)際的電路中，可以使用繼電器來實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)。

　　2.2電流采集模塊

　　對(duì)于充放電過程中動(dòng)態(tài)電流的測(cè)量，本文通過使用LEM公司LTSR25-NP電流傳感器來實(shí)現(xiàn)。此元件是基于霍爾效應(yīng)的帶補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)多量程電流傳感器，通過單極性電壓的方式進(jìn)行供電，擁有良好的測(cè)量精度，沒有插入損耗，線性度出色，電流過載能力比較好。在攝氏25度以下，其測(cè)量精度能夠達(dá)到±0.2%。其額定電流是25安，最大的可測(cè)電流是80安，能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。此電流傳感器能夠?qū)⒊浞烹婋娏髯儞Q成0到5伏的電壓信號(hào)，然后接入到單片機(jī)的A/D單元，能夠測(cè)得充放電電流。

　　2.3溫度采集模塊

　　溫度采集模塊，是通過美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的DS620可編程智能數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的。其芯片里含有寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器以及接口電路，能夠直接把數(shù)字信號(hào)輸出。其和單片機(jī)的接口電路比較簡(jiǎn)單，傳輸距離長(zhǎng)，控制功能好，對(duì)外界的抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于低功耗的微型溫度測(cè)量系統(tǒng)。該DS620數(shù)字溫度傳感器，能夠提供1.7至3.5伏的低電壓溫度測(cè)量，在0到70攝氏度的環(huán)境中，測(cè)量精度可達(dá)到±0.5攝氏度，傳感器可以工作的范圍為零下55到零上125攝氏度之間?？梢詰?yīng)用在分布式的傳感系統(tǒng)中，進(jìn)行多點(diǎn)的連接，一條總線可以同時(shí)連接8個(gè)DS620同時(shí)工作。本文通過SPCE061A的IOA2及IOA3接口，模擬I2C總線，進(jìn)行和DS620的通信。

　　2.4均衡模塊

　　實(shí)施對(duì)串聯(lián)連接的蓄電池組充電時(shí)，因?yàn)殡姵亟M里的各單元化學(xué)特性的差異，如果一些單元電池充滿電，但另一些單元電池卻還沒有充電完畢，這就會(huì)發(fā)生被充滿電的電池單元產(chǎn)生過充電現(xiàn)象，這就會(huì)對(duì)蓄電池影響很大。與此相反，如果那些蓄電池不能長(zhǎng)期充足電，及會(huì)增加內(nèi)阻，降低蓄電池的容量，導(dǎo)致蓄電池的容易損壞。解決蓄電池在充電過程中的一些充電不足及過充問題的一個(gè)最有效的方法，就是實(shí)施對(duì)電池均衡充電，讓所有的電池均可以達(dá)到均衡一致狀態(tài)。本電池管理系統(tǒng)所采用的均衡方案，即采用雙向可逆DC/DC動(dòng)態(tài)均衡方法的原理，通過DC/DC開關(guān)電源，在充放電過程中依據(jù)檢測(cè)到的各單體電池的電壓值，進(jìn)行對(duì)需充電的單節(jié)電池動(dòng)態(tài)均衡充電，用電池組的電量對(duì)該節(jié)電池實(shí)施額外的均衡充電。DC/DC開關(guān)電源使用的是新星的DOM-24D15S5芯片，其輸入電壓是18至36伏之間，輸出電壓為4.6至5.5伏之間。

　　2.5充電模塊

　　當(dāng)前，大部分的充電曲線為恒壓與恒流充電曲線的組合。鋰電池在充電后期，基于確保電池安全的考慮，電池充電需要采用恒壓充電的方式。普通充電的方法把蓄電池的充電過程分成3個(gè)部分，即：預(yù)充、恒流及恒壓，其原理和控制過程比較簡(jiǎn)單，在充電的初期階段，充電速度較快，充電效率較高。然而，這種充電的方式引起的熱量非常大。為了解決這個(gè)問題，本文通過把預(yù)充及恒壓充電變成間歇充電的方式，恒流充電的方式借助于充電電源適配器的限流控制。間歇式充電的時(shí)序圖如圖3所示。

　　當(dāng)鋰離子電池組進(jìn)行充電時(shí)，如果該電池組安裝有電池管理系統(tǒng)，則必須要外接一個(gè)能和其匹配的恒壓限流型的電源適配器。計(jì)算恒壓值U表達(dá)式是：U=4.2*N+損耗電壓;在上式中，N表示電池的節(jié)數(shù)，而損耗電壓是通過實(shí)驗(yàn)獲得。在本系統(tǒng)中，采用的鋰電池是深圳雷天公司的TS-LCP50AHA型，該型電池的限流值Ic是0至0.5C之間，C表示電池容量。在計(jì)算時(shí)，取TS-LCP50AHA型電池的最佳充電電流0.3C。對(duì)電池進(jìn)行充電之前，一定要先實(shí)施系統(tǒng)的初始化，接著在以預(yù)充、恒流充電及恒壓充電這3個(gè)步驟進(jìn)行電池的充電。

　　3結(jié)束語

　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的鋰離子電池管理系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案及各個(gè)功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過程中，本系統(tǒng)運(yùn)行比較正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如單電池電壓測(cè)量，總電流，總電壓，溫度測(cè)量等方面都符合要求，系統(tǒng)具有較好的可靠性和實(shí)用性。