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

　　隨著社會的發(fā)展，鋰電池在生產(chǎn)生活的各個領(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)。本文通過對鋰電池技術(shù)的研究，設(shè)計了一種新型的關(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，實(shí)施了分布式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)容包含有電量估計，電池充電與放電，單個電池間的均衡等功能本地測量模塊，具體分析了實(shí)現(xiàn)各個模塊的硬件設(shè)計。

　　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)，儲存壽命長，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，也在對電池的管理技術(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)及檢測等技術(shù)，實(shí)施動態(tài)地監(jiān)控電池單元及電池組的運(yùn)行狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確地計算電池的剩余電量，對電池實(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。本文綜合了國內(nèi)外的一些先進(jìn)成果，設(shè)計并實(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，系統(tǒng)包含2級的控制結(jié)構(gòu)，即本地測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)行和本地測量模塊連通;本地測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，電量測量，單個電池均衡及利用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)計方案

　　本文設(shè)計的電池管理系統(tǒng)，主要是應(yīng)用在電動車及一些水下設(shè)備，因此系統(tǒng)設(shè)計上要結(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，要實(shí)現(xiàn)以下各種功能：

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

　　2)測量和顯示剩余電量;

　　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級的控制結(jié)構(gòu)，分別是中央處理模塊(CentralElectricControlUnit，CECU)、本地測量模塊(LocalElectricControlUnit，LECU)，中央處理模塊和本地測量模塊是以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，本地測量模塊的主要功能是進(jìn)行對電池組的充電，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，電量測量模塊等;中央處理模塊主要是進(jìn)行本地測量模塊的管理，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。本文僅對其中幾個關(guān)鍵的模塊進(jìn)行介紹。

　　2本地測量模塊硬件設(shè)計

　　2.1電壓采集模塊

　　單電池端電壓，其為實(shí)施電池剩余電量計算，充放電方式選擇，以及運(yùn)行狀態(tài)評估的一個主要依據(jù)，所以對電池組進(jìn)行監(jiān)控的前提條件，就是要有一個合理的單電池端電壓測量方法。然而因?yàn)殡姵亟M中電池數(shù)目多，總的電壓比較高，測量的精度要求高，因而實(shí)施電源測量的難度比較大。電壓監(jiān)測方案的工作原理是：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應(yīng)的單元電池兩端實(shí)施對接，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)施測量。在測量的時候，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

　　對于充放電過程中動態(tài)電流的測量，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，其測量精度能夠達(dá)到±0.2%。其額定電流是25安，最大的可測電流是80安，能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計要求。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，然后接入到單片機(jī)的A/D單元，能夠測得充放電電流。

　　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)字信號輸出。其和單片機(jī)的接口電路比較簡單，傳輸距離長，控制功能好，對外界的抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于低功耗的微型溫度測量系統(tǒng)。該DS620數(shù)字溫度傳感器，能夠提供1.7至3.5伏的低電壓溫度測量，在0到70攝氏度的環(huán)境中，測量精度可達(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，一條總線可以同時連接8個DS620同時工作。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)施對串聯(lián)連接的蓄電池組充電時，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，這就會發(fā)生被充滿電的電池單元產(chǎn)生過充電現(xiàn)象，這就會對蓄電池影響很大。與此相反，如果那些蓄電池不能長期充足電，及會增加內(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最有效的方法，就是實(shí)施對電池均衡充電，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)檢測到的各單體電池的電壓值，進(jìn)行對需充電的單節(jié)電池動態(tài)均衡充電，用電池組的電量對該節(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個部分，即：預(yù)充、恒流及恒壓，其原理和控制過程比較簡單，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。間歇式充電的時序圖如圖3所示。

　　當(dāng)鋰離子電池組進(jìn)行充電時，如果該電池組安裝有電池管理系統(tǒng)，則必須要外接一個能和其匹配的恒壓限流型的電源適配器。計算恒壓值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。在計算時，取TS-LCP50AHA型電池的最佳充電電流0.3C。對電池進(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個步驟進(jìn)行電池的充電。

　　3結(jié)束語

　　綜上所述，本文設(shè)計并實(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)計方案及各個功能模塊的詳細(xì)設(shè)計。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)，如單電池電壓測量，總電流，總電壓，溫度測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。