一種新型鋰電池管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) - 全文

隨著社會的發(fā)展，鋰電池在生產生活的各個領域應用非常廣泛，電池的應用與管理變成了各種設備發(fā)展中一種非常關鍵的技術。本文通過對鋰電池技術的研究，設計了一種新型的關于鋰電池的管理系統(tǒng)，并介紹了實現(xiàn)方法。該鋰電池管理系統(tǒng)的設計，實施了分布式的結構設計，內容包含有電量估計，電池充電與放電，單個電池間的均衡等功能本地測量模塊，具體分析了實現(xiàn)各個模塊的硬件設計。

本世紀初以來，鋰電池生產與研究獲得了非常大的突破，因其擁有的諸多良好優(yōu)點，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，儲存壽命長，重量輕，體積小等特點，已經慢慢地代替了傳統(tǒng)的鎳鎘蓄電池及鉛酸蓄電池，在社會生產和生活的應用領域越來越寬，變成了目前主流的動力電池。因為在鋰電池內部，其化學反應非常復雜，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及使用進行不斷的研究，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)（Battery Management System，BMS），它涉及微電腦技術及檢測等技術，實施動態(tài)地監(jiān)控電池單元及電池組的運行狀態(tài)，能夠準確地計算電池的剩余電量，對電池實施充放電保護，促使其處在最佳工作狀態(tài)，降低運行成本，提高使用壽命。本文綜合了國內外的一些先進成果，設計并實現(xiàn)了一種新的鋰電池管理系統(tǒng)。本管理系統(tǒng)結構采用模塊化、分布式的設計，系統(tǒng)包含2級的控制結構，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接口和上位機實施通信，以CAN總線網絡形式進行和本地測量模塊連通；本地測量模塊主要的功能為數(shù)據采集（主要為溫度、電流及電壓的數(shù)據采集），充放電控制，電量測量，單個電池均衡及利用CAN總線技術與中央處理模塊通信等。

1管理系統(tǒng)硬件設計方案

本文設計的電池管理系統(tǒng)，主要是應用在電動車及一些水下設備，因此系統(tǒng)設計上要結構合理，技術先進，可擴展性強；系統(tǒng)的各種參數(shù)技術準確度要高。因此，本電池管理系統(tǒng)的設計，要實現(xiàn)以下各種功能：

1）實時采集電池信息，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)據傳輸接口，完成和CAN總線部分及上位機的通信；

4）人機交互功能好，系統(tǒng)安全、可靠，具有較強的抗干擾性。

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級的控制結構，分別是中央處理模塊（Central Electric Control Unit，CECU）、本地測量模塊（Local Electric Control Unit，LECU），中央處理模塊和本地測量模塊是以CAN總線的形式實現(xiàn)通信連接。本電池管理系統(tǒng)結構如圖2所示。在圖2中，本地測量模塊的主要功能是進行對電池組的充電，組成模塊有：數(shù)據采集模塊（為要為電流，電壓，溫度等的數(shù)據采集），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行本地測量模塊的管理，利用CAN總線通信方式，進行控制信息的發(fā)送和電池狀態(tài)信息的接收。本文僅對其中幾個關鍵的模塊進行介紹。

2本地測量模塊硬件設計

2.1電壓采集模塊

單電池端電壓，其為實施電池剩余電量計算，充放電方式選擇，以及運行狀態(tài)評估的一個主要依據，所以對電池組進行監(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。然而因為電池組中電池數(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Kn-1、Kn-2（n為數(shù)1至7之間），同步把電容與與之對應的單元電池兩端實施對接，開始電容充電，達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Kn-1、Kn-2進行斷開，并把開關K1及K2合上，接到單片機的A/D模塊實施測量。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部A/D單元，不要額外增加A/D模塊，提高了設計的效率，節(jié)省了成本。通常在實際的電路中，可以使用繼電器來實現(xiàn)模擬開關。

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電流傳感器來實現(xiàn)。此元件是基于霍爾效應的帶補償?shù)拈]環(huán)多量程電流傳感器，通過單極性電壓的方式進行供電，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，能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)設計要求。此電流傳感器能夠將充放電電流變換成0到5伏的電壓信號，然后接入到單片機的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半導體公司的DS620可編程智能數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)的。其芯片里含有寄存器、A/D轉換器以及接口電路，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，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。可以應用在分布式的傳感系統(tǒng)中，進行多點的連接，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，進行和DS620的通信。

2.4均衡模塊

實施對串聯(lián)連接的蓄電池組充電時，因為電池組里的各單元化學特性的差異，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，及會增加內阻，降低蓄電池的容量，導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，就是實施對電池均衡充電，讓所有的電池均可以達到均衡一致狀態(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開關電源，在充放電過程中依據檢測到的各單體電池的電壓值，進行對需充電的單節(jié)電池動態(tài)均衡充電，用電池組的電量對該節(jié)電池實施額外的均衡充電。DC/DC開關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。

當鋰離子電池組進行充電時，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驗獲得。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。對電池進行充電之前，一定要先實施系統(tǒng)的初始化，接著在以預充、恒流充電及恒壓充電這3個步驟進行電池的充電。

3結束語

綜上所述，本文設計并實現(xiàn)了一種新型的鋰離子電池管理系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設計方案及各個功能模塊的詳細設計。在試驗過程中，本系統(tǒng)運行比較正常，各項技術指標，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用性。