動(dòng)力鋰電池組智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖

間歇式充電法是在預(yù)充和保持階段通過間歇地打開和關(guān)閉充電回路，等效地改變充電電流的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在預(yù)充和保持狀態(tài)時(shí)需要小電流、在正常充電時(shí)需要大電流的的性能要求。

在對(duì)帶有管理系統(tǒng)的電池組進(jìn)行充電時(shí)，需要外接與之匹配的恒壓電源充電器，對(duì)其恒壓值U的要求為：U=4.2V×N+損耗電壓，其中N為電池節(jié)數(shù)。

限流值為該動(dòng)力鋰電池的常規(guī)充電電流0.3C(C為電池容量)，在進(jìn)行充電前必須先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后按照間歇式充電法對(duì)電池組自動(dòng)充電。

電壓采樣模塊原理與實(shí)現(xiàn)

鋰離子電池在充電時(shí)要求其端電壓控制在4.2V以下，為防止過充損壞電池，要求必須在充電時(shí)實(shí)時(shí)檢測各單節(jié)鋰電池電壓。管理系統(tǒng)采用圖4所示的電壓采樣檢測方案。其工作原理是：首先把單刀雙擲開關(guān)K1、K2向上打到電壓測量檔，并通過MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地將電容分別接到各單節(jié)電池兩端，使電容充電至電容電壓等于被測單節(jié)電池的電壓；然后斷開MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2，同時(shí)合上開關(guān)K3和K4接入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。該方案可直接使用微處理器內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器，不需要另外加入A/D芯片，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。實(shí)際電路中的模擬開關(guān)采用繼電器實(shí)現(xiàn)。

均衡模塊原理與設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池組是由多個(gè)單節(jié)電池串聯(lián)組成的電池模塊，由于電池個(gè)體之間內(nèi)部特性的差異，若干次充、放電后，電池組會(huì)失衡，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池組的效率與安全。另外，電池組在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、溫度過高等現(xiàn)象會(huì)加劇電池間特性的差異，從而引起單節(jié)鋰電池之間容量、電壓等性能的不平衡，最終導(dǎo)致電池組整體特性的急劇衰退和部分電池的加速損壞。因此在鋰電池組合使用時(shí)必須要解決各個(gè)單節(jié)電池在電池組中的平衡問題。

電池組中各節(jié)電池電量的均衡可采用電阻均衡、電容均衡、變壓器均衡等多種方案。由于本管理系統(tǒng)是針對(duì)大容量的動(dòng)力鋰電池組，若采用電阻均衡，均衡速度快但將會(huì)有過多的能量白白浪費(fèi)掉；電容均衡雖然不額外耗能，但是均衡電流一般較小，很難勝任動(dòng)力鋰電池之間的均衡。故本均衡模塊采用兼顧效率和速度的變壓器均衡方案。在具體設(shè)計(jì)中直接采用DC/DC開關(guān)電源模塊。由于開關(guān)電源模塊具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，將其直接作為均衡模塊使用是一個(gè)很好的選擇。在具體使用時(shí)，根據(jù)檢測到的各單節(jié)電池的電壓值判斷是否需要對(duì)電池組進(jìn)行能量均衡。若需要，閉合均衡總開關(guān)K5，開關(guān)K1、K2向下打到均衡檔，用電池組的整體能量對(duì)電壓最低節(jié)電池進(jìn)行額外的均衡充電，直到各節(jié)電池電壓值的差別在系統(tǒng)要求范圍之內(nèi)。原理圖如圖4所示。

圖4 電壓采樣、均衡充電原理圖

電流采樣的實(shí)現(xiàn)

電流是電池容量估計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此對(duì)電流采樣的精度、抗干擾能力和線性度誤差的要求都很高。在本設(shè)計(jì)中采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，如圖5所示，

圖5 LTSR25-NP實(shí)物圖

該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應(yīng)時(shí)間。其額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉(zhuǎn)換為0V~5V的電壓信號(hào)，送至單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可測得充放電電流，測量精度為0.2A。其工作特性曲線如圖6所示。

圖6 電流傳感器LTSR25-NP 工作特性曲線

圖中以VREF為參考點(diǎn)電壓，默認(rèn)為2.5V，IP為被測量電流。

溫度采樣的實(shí)現(xiàn)

電池管理系統(tǒng)中的溫度檢測采用的是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它是單片結(jié)構(gòu)，無需外加A/D轉(zhuǎn)換器即可輸出9~12位的數(shù)字量。通信采用單總線協(xié)議，對(duì)DS18B20的各種操作通過一條數(shù)據(jù)線即可完成。因?yàn)槊總€(gè)DS18B20都含有唯一的序列碼，使每條總線上可同時(shí)連接多個(gè)DS18B20，這就使得DS18B20連線簡單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，適合用于多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，特別是與單片機(jī)合用構(gòu)成的溫度檢測與控制系統(tǒng)。