動力鋰電池組智能管理系統(tǒng)設計

引言

鋰電池由于具有體積小、質量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長等優(yōu)點，逐漸成為動力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，因此在應用時需要進行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高，當出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時，會使鋰電池溫度上升，嚴重破壞鋰電池性能，導致電池壽命縮短。當鋰電池串聯(lián)使用于動力設備中時，由于各單節(jié)鋰電池間內部特性的不一致，會導致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時，整個電池組的行為特征都會受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能，延長使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時進行實時監(jiān)控，提供過壓、過流、溫度保護和電池間能量均衡。

本文設計的動力鋰電池組管理系統(tǒng)安裝在鋰電池組的內部，以單片機為控制核心，在實現(xiàn)對各節(jié)鋰電池能量均衡的同時，還可以實現(xiàn)過充、過放、過流、溫度保護及短路保護。通過LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過預留的通信端口讀取各節(jié)鋰電池的歷史性能狀態(tài)。

系統(tǒng)總體方案設計

動力鋰電池智能管理系統(tǒng)主要由充電模塊、數(shù)據采集模塊(包括電壓、電流、溫度數(shù)據采集)、均衡模塊、電量計算模塊、數(shù)據顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 管理系統(tǒng)結構框圖

整個系統(tǒng)以單片機為主控制器，通過采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態(tài)及是否有過流現(xiàn)象，并對其狀態(tài)做出相應處理。對各節(jié)電池電壓進行采集分析后，系統(tǒng)決定是否啟動均衡模塊對整個電池組進行能量均衡，同時判斷是否有過充或過放現(xiàn)象。溫度的采集主要用于系統(tǒng)的過溫保護。整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電流、各節(jié)電壓、剩余電量及溫度信息都會通過液晶顯示模塊實時顯示。下面對其各個模塊的實現(xiàn)方法進行介紹。

微控制器 ATmega8

本系統(tǒng)采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機ATmega8。該單片機具備AVR高檔單片機系列的全部性能和特點，支持在線編程(ISP)，只需要一條可自制的下載線就可以進行單片機系統(tǒng)的開發(fā)。其中ATmega8單片機有6路A/D轉換通道，其中有4路為10位精度，在設計中可直接用于電池電壓的測量。ATmega8的各項性能使其成為適應性強、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特別適合在開發(fā)階段使用。

充電控制模塊原理與實現(xiàn)

鋰電池常規(guī)充電法是按預充、恒流、恒壓三個階段進行的，時序圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)充電法時序圖

由于管理系統(tǒng)是隨電池組一起放在電池箱內，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環(huán)控制，就會使該管理系統(tǒng)的通用性降低。為實現(xiàn)高通用性，使管理系統(tǒng)和外部的充電器單獨工作，本電池管理系統(tǒng)采用間歇式充電法，如圖3所示。