鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)—研究目的與意義

　　1 鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　鋰離子電池是一種新能源，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：放電電壓穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，自放電率低，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，體積小，重量輕及無(wú)公害等。

　　因此，從20世紀(jì)90年代開始，人們對(duì)它進(jìn)行了大量的研究和生產(chǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸取代了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池。鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，例如筆記本電腦、通訊電臺(tái)、便攜式電子設(shè)備、航天衛(wèi)星、電動(dòng)自行車以及電動(dòng)汽車等裝置中都采用它作為其動(dòng)力能源。

　　但是，在使用時(shí)，鋰離子電池也有其自身的缺點(diǎn)：

　?、配囯x子電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子溶出太多回不到原來(lái)的狀態(tài)，致使電池放電時(shí)鋰離子不能填充到正極的通道。表現(xiàn)為電池充電充不進(jìn)去造成永久性破壞。這樣必須采取限制充電電壓的方式來(lái)控制鋰離子溶出量的措施;

　?、其囯x子電池放電放到終點(diǎn)時(shí)，內(nèi)部物質(zhì)就會(huì)發(fā)生質(zhì)變，即負(fù)極上的石墨層中的鋰離子全部脫落，下次充電時(shí)，沒有鋰離子的負(fù)極石墨層就不能保證回路通暢，所以要采取措施控制放電電壓的大小;

　?、侨绻簧魇闺姵囟搪坊蛘叱浞烹婋娏鬟^大，會(huì)使電池內(nèi)部溫度過高而耗損能量，這樣會(huì)縮短放電時(shí)間。

　　因此，鋰離子電池的監(jiān)控管理成為推動(dòng)鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本系統(tǒng)通過對(duì)鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號(hào)的檢測(cè)和判斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組充放電過程中所出現(xiàn)的過充、過放、短路以及均衡現(xiàn)象進(jìn)行保護(hù)，并且采用模糊控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池故障的診斷。

　　(1)信號(hào)檢測(cè)：包括電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)的檢測(cè)。電壓信號(hào)包括對(duì)鋰離子電池組總電壓檢測(cè)和對(duì)各節(jié)電池的單體電壓檢測(cè);對(duì)于電流信號(hào)的檢測(cè)，由于電池組是串聯(lián)的，因此只需要檢測(cè)總電流即可;另外需要檢測(cè)鋰離子電池組的溫度信號(hào)，依據(jù)電池類型設(shè)定該型號(hào)電池安全溫度參數(shù)范圍，在發(fā)現(xiàn)溫度不在安全范圍時(shí)做相應(yīng)處理，并發(fā)出報(bào)警信息。

　　(2)保護(hù)電路：通過信號(hào)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)采集鋰離子電池組的電壓、電流和溫度參數(shù)，根據(jù)參數(shù)值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池組的過充、過放、短路以及均衡的保護(hù)。

　　(3)電池故障診斷：即依據(jù)所測(cè)單個(gè)電池溫度、電壓等參數(shù)采用模糊控制技術(shù)做出故障診斷處理。

　　(4)電量估計(jì)：即電池剩余電量的測(cè)量，依據(jù)所測(cè)電壓值估測(cè)鋰離子電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge，即SOC)。

　　從當(dāng)前的情況來(lái)看，本系統(tǒng)關(guān)鍵需要解決以下兩個(gè)問題：

　　(1)通過信號(hào)檢測(cè)電路采集到電壓、電流和溫度參數(shù)后，如何根據(jù)這些參數(shù)和充放電過程中的一些歷史數(shù)據(jù)，建立故障診斷的模糊控制規(guī)則，即模糊控制故障診斷技術(shù)。

　　(2)鋰離子電池組在充放電的過程中容易出現(xiàn)單體電池間不均衡現(xiàn)象，這種情況會(huì)大大影響鋰離子電池的使用壽命，因此均衡充電技術(shù)是本系統(tǒng)需要致力研究的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　1.2系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及幾種常用方案

　　1.2.1系統(tǒng)的國(guó)外現(xiàn)狀在過去的20年里，國(guó)外對(duì)鋰離子電池組的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛和深入的研究。這些研究都是為了確保鋰離子電池能夠正常穩(wěn)定的工作。尤其是在近十幾年里，隨著電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，國(guó)外一些大的汽車生產(chǎn)商和電池生產(chǎn)商針對(duì)鋰離子電池做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，成功研發(fā)了多種鋰離子電池組管理系統(tǒng)。例如：

　?、臖ADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)。

　　德國(guó)的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，在1991年設(shè)計(jì)了BADICHEQ系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能：

　?、哦鄠€(gè)電池能夠同時(shí)進(jìn)行電壓測(cè)量(最多20個(gè))，另外可以對(duì)電流和溫度進(jìn)行測(cè)量;

　?、齐姵貑卧梢钥刂瞥潆姍C(jī)的充電電流;

　　⑶可以儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù);

　?、瓤梢詫?shí)現(xiàn)單體電池的均衡充電;

　　⑸具有儀表盤顯示功能，可以顯示電池單元的剩余電量以及各種異常報(bào)警;

　　⑹可以與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　在BADICHEQ系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，設(shè)計(jì)出BADICOaCH系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：

　?、琶總€(gè)電池單元都加有非線性電路，通過該電路完成對(duì)單體電池電壓的測(cè)量，并且將該電池組所有電池的電壓值由一根信號(hào)線送入該系統(tǒng)解碼;

　?、撇捎肦S232標(biāo)準(zhǔn)與PC機(jī)進(jìn)行通信;

　?、钱?dāng)發(fā)現(xiàn)最差電池單元時(shí)，首先顯示該電池

　　單元的剩余電量，其次對(duì)該電池進(jìn)行過放保護(hù)并停止使用;⑷存貯最近24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù);⑸當(dāng)判斷電池好壞時(shí)，允許快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況;⑹可以控制充電電流和電壓值，采用兩條PWM信號(hào)輸出線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　?、艬ATTMAN系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)是德國(guó)B.Hauck設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理，將不同型號(hào)電池組做成一個(gè)系統(tǒng)，然后通過硬件和軟件兩方面來(lái)選擇。在硬件方面，通過改變硬件的跳線;在軟件方面，通過增加選擇參數(shù)的辦法。

　　⑶電動(dòng)汽車EV1上的電池管理系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)是美國(guó)通用汽車公司生產(chǎn)的。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是電池組的可靠性非常高。

　　該系統(tǒng)由四部分組成：

　　電池模塊(用于汽車驅(qū)動(dòng)和其它用電系統(tǒng));

　　軟件BPM(Battery Pack Module);

　　電池組熱系統(tǒng);

　　電池組高壓斷電保護(hù)裝置(High Voltage Disconnect)。

　　軟件BPM主要完成以下工作：

　　單體電池電壓檢測(cè)、高壓保護(hù)功能、六路溫度采樣、電流采樣、電池組充電控制、過放保護(hù)以及電量估計(jì)等。

　　⑷SmartGuard系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是由美國(guó)Aerovironment公司開發(fā)的。系統(tǒng)通過一個(gè)分布式的專用IC管理裝置來(lái)測(cè)量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號(hào)來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。

　　該系統(tǒng)的主要功能有：

　　● 過充保護(hù);

　　● 當(dāng)放電反向時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào);

　　● 能夠記錄歷史信息;

　　● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

　　⑸BatOpt系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)是由美國(guó)AC Propulsion公司開發(fā)的。在該系統(tǒng)中，每個(gè)電池上都裝有監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊經(jīng)過two_wire總線和中心控制單元通信，向主控單元報(bào)告電池電壓、溫度等信息，主控單元接收到上述信息后，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，這樣就構(gòu)成了一個(gè)分布式系統(tǒng)。

　　1.2.2系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

　　相對(duì)于國(guó)外來(lái)說，國(guó)內(nèi)的鋰離子電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是由高校與一些汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商聯(lián)合起來(lái)共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過多年的努力，研發(fā)了許多可靠的電池管理系統(tǒng)并已經(jīng)投入使用。

　　⑴EV-6580輕型電動(dòng)客車配套的電池管理系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)是由清華大學(xué)研發(fā)的。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控電池的充放電電流、電壓等參數(shù)，同時(shí)提供了過充、過放保護(hù)，這樣就大大提高了電池壽命，同時(shí)還開發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

　?、仆瑵?jì)大學(xué)研發(fā)的鋰離子電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是同濟(jì)大學(xué)與北京星恒電池有限公司合作研發(fā)的。該系統(tǒng)的主要功能有：電壓、電流和溫度的精確采集，電池電量估計(jì)，均衡保護(hù)，事故處理與記錄等。

　　⑶北京理工大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是專門為電動(dòng)汽車上的電池開發(fā)的。

　　該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微處理器，具有以下功能：

　　可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電量、電池組總電壓、總電流和各單體電池電壓以及電池組溫度等各種運(yùn)行參數(shù);

　　具有故障診斷和報(bào)警功能;

　　采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)送入PC機(jī)，在PC機(jī)中進(jìn)行標(biāo)定后，再通過CAN總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息共享。

　　系統(tǒng)已經(jīng)投入安裝使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)大大延長(zhǎng)了電池組的壽命，提高了電動(dòng)車的運(yùn)行效率，當(dāng)故障產(chǎn)生后能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，同時(shí)能夠精確的估計(jì)電池組的剩余電量，提高了電動(dòng)車的可靠性。

　　1.2.3鋰離子電池保護(hù)的常用方案

　　從前面的介紹中，我們可以看到，在鋰離子電池組的使用過程中，鋰離子電池易受到過充、過放的影響，大大減少鋰離子電池的使用壽命。因此，鋰離子電池組的保護(hù)電路是非常重要的。

　　鋰離子電池組保護(hù)電路首先應(yīng)當(dāng)具有對(duì)鋰離子電池組的過充保護(hù)、過放保護(hù)、均衡保護(hù)功能。另外，其保護(hù)電路除了能夠完成以上功能，還需具備以下特點(diǎn)：

　?、诺凸碾娏鳌?/p>

　　保護(hù)電路是在電池工況出現(xiàn)異常的情況下工作，因此保護(hù)電路消耗的電流要盡量小，實(shí)現(xiàn)降低損耗的目的。

　　⑵檢測(cè)精度要高。過充電檢測(cè)要求電路的精度高，如果檢測(cè)精度不高，就不能保證電池容量的充分使用。

　?、枪ぷ麟妷旱汀?/p>

　　保護(hù)電路對(duì)鋰離子電池進(jìn)行保護(hù)時(shí)，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當(dāng)電池放電時(shí)，電壓就會(huì)進(jìn)一步降低，因此，保護(hù)電路應(yīng)該能在低電壓下工作。

　　針對(duì)上述提出的應(yīng)當(dāng)完成的功能和具備的特點(diǎn)，在目前來(lái)說，常用的鋰離子電池管理方法主要有兩種：

　　⑴采用專用芯片的鋰電池管理系統(tǒng)。在常見的便攜式設(shè)備中，通常使用容量較小的鋰電池。首先，考慮的便攜式設(shè)備的需求，通常要求系統(tǒng)的保護(hù)電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對(duì)較小，不需要過度考慮系統(tǒng)的均衡及保護(hù)問題。通常使用專用管理芯片并配合外圍電路即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電池充放電管理及保護(hù)功能。

　?、苹诒O(jiān)測(cè)的鋰電池管理系統(tǒng)。在大容量的鋰電池應(yīng)用系統(tǒng)中，專用的鋰電池管理芯片已不能滿足需要，需要采用采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理。我們通過信號(hào)采集電路采集電池組的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)送入微控制器進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)判斷電池組中各個(gè)電池的工作狀態(tài)好壞，依據(jù)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)鋰電池組進(jìn)行智能化管理保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電能的有效利用和延長(zhǎng)電池壽命的目的。

　　本文是針對(duì)16節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行均衡保護(hù)設(shè)計(jì)的，而專用芯片最多只能實(shí)現(xiàn)對(duì)13節(jié)電池的保護(hù)，因此，如果采用專用芯片保護(hù)，那么至少需要2個(gè)專用芯片才能實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的成本。另外，采用專用芯片的話，鋰電池組的電池個(gè)數(shù)將固定，這樣系統(tǒng)的靈活性較低。綜合多方面的考慮，本文采用基于微控制器鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的方案，微控制器選用低功耗的MSP430單片機(jī)。

　　1.3課題意義及主要研究?jī)?nèi)容

　　1.3.1本文的意義

　　鋰電池是20世紀(jì)末才出現(xiàn)的綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池的推廣及大量應(yīng)用，鋰離子電池深受社會(huì)和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)及眾多的便攜式設(shè)備均已使用鋰離子電池作為電源。

　　當(dāng)前，世界電池工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)以下三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一、突出綠色概念、包括鋰離子電池、無(wú)汞堿錳電池等，滿足了人們對(duì)電池的需要。二、一次電池向二次電池轉(zhuǎn)化。正如鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了可重復(fù)使用的鋰離子電池，在無(wú)汞錳電池的基礎(chǔ)上開發(fā)了可充電的無(wú)汞錳電池。三、便攜式電池稱為用戶的首選。隨著各式各樣的電池出現(xiàn)，用戶在選用電池時(shí)，在考慮到電池的環(huán)保、性價(jià)比的同時(shí)，更加注重電池的便攜性。正因?yàn)殇囯x子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當(dāng)前世界電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)權(quán)威部門預(yù)測(cè)，我國(guó)鋰電池總產(chǎn)值將挑戰(zhàn)100億美元，據(jù)IIT等研究機(jī)構(gòu)推測(cè)，我國(guó)鋰電池行業(yè)的年增長(zhǎng)率將超過20%，2016年電池總體需求量將達(dá)到50億塊左右。可見，在當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時(shí)間，鋰電池將稱為我國(guó)電池工業(yè)的龍頭。由此可見，研究鋰電池的管理系統(tǒng)顯得尤為重要，是鋰電池進(jìn)一步推廣的一個(gè)關(guān)鍵因素之一。

　　1.3.2本文的主要研究?jī)?nèi)容

　　本文是針對(duì)民用電動(dòng)車上的鋰離子電池組的監(jiān)控管理而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)的主要功能包括鋰離子電池的充放電保護(hù)、單體電池的均衡保護(hù)、電池故障診斷以及上位機(jī)對(duì)電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)控等幾個(gè)方面。

　　本文的主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：

　　第一章、研究目的與意義。簡(jiǎn)要介紹鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)及其保護(hù)電路的現(xiàn)狀和當(dāng)前的保護(hù)方案。

　　第二章、鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。分析電池特性、電量管理、及鋰離子電池的采取均衡措施的原因及常用方法。

　　第三章、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體方案，并詳細(xì)介紹了各模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。

　　第四章、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計(jì)方法。

　　第五章、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計(jì)方法。

　　第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池故障的診斷。

　　第七章、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及結(jié)論。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，重點(diǎn)是對(duì)保護(hù)電路、采集精度的測(cè)試。

　　本文研究了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鋰電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)解決了電池均衡和充放電保護(hù)問題。通過軟硬件測(cè)試，該管理系統(tǒng)均衡及保護(hù)電路簡(jiǎn)捷、靈敏、可靠。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、反應(yīng)靈敏、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。