鋰離子電池組監(jiān)控系統研究與實現—研究目的與意義

　　1 鋰離子電池監(jiān)控系統概述

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

　　因此，從20世紀90年代開始，人們對它進行了大量的研究和生產，現在已經逐漸取代了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池。鋰離子電池的應用領域也非常廣泛，例如筆記本電腦、通訊電臺、便攜式電子設備、航天衛(wèi)星、電動自行車以及電動汽車等裝置中都采用它作為其動力能源。

　　但是，在使用時，鋰離子電池也有其自身的缺點：

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

　?、其囯x子電池放電放到終點時，內部物質就會發(fā)生質變，即負極上的石墨層中的鋰離子全部脫落，下次充電時，沒有鋰離子的負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，會使電池內部溫度過高而耗損能量，這樣會縮短放電時間。

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

　　本系統通過對鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號的檢測和判斷，來實現對電池組充放電過程中所出現的過充、過放、短路以及均衡現象進行保護，并且采用模糊控制方法來實現對電池故障的診斷。

　　(1)信號檢測：包括電壓信號、電流信號和溫度信號的檢測。電壓信號包括對鋰離子電池組總電壓檢測和對各節(jié)電池的單體電壓檢測;對于電流信號的檢測，由于電池組是串聯的，因此只需要檢測總電流即可;另外需要檢測鋰離子電池組的溫度信號，依據電池類型設定該型號電池安全溫度參數范圍，在發(fā)現溫度不在安全范圍時做相應處理，并發(fā)出報警信息。

　　(2)保護電路：通過信號檢測電路實時采集鋰離子電池組的電壓、電流和溫度參數，根據參數值，及時發(fā)現異常情況，從而實現對鋰離子電池組的過充、過放、短路以及均衡的保護。

　　(3)電池故障診斷：即依據所測單個電池溫度、電壓等參數采用模糊控制技術做出故障診斷處理。

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

　　從當前的情況來看，本系統關鍵需要解決以下兩個問題：

　　(1)通過信號檢測電路采集到電壓、電流和溫度參數后，如何根據這些參數和充放電過程中的一些歷史數據，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。

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

　　1.2系統的國內外現狀及幾種常用方案

　　1.2.1系統的國外現狀在過去的20年里，國外對鋰離子電池組的監(jiān)控管理系統進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，隨著電動汽車的出現，國外一些大的汽車生產商和電池生產商針對鋰離子電池做了大量的研究和實驗，成功研發(fā)了多種鋰離子電池組管理系統。例如：

　?、臖ADICHEQ系統及BADICOaCH系統。

　　德國的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff經過大量的實驗，在1991年設計了BADICHEQ系統，該系統具有以下幾個功能：

　?、哦鄠€電池能夠同時進行電壓測量(最多20個)，另外可以對電流和溫度進行測量;

　?、齐姵貑卧梢钥刂瞥潆姍C的充電電流;

　　⑶可以儲存歷史數據;

　?、瓤梢詫崿F單體電池的均衡充電;

　?、删哂袃x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警;

　?、士梢耘cPC機進行數據通信。

　　在BADICHEQ系統的基礎上進行了一些改進，設計出BADICOaCH系統，該系統具有以下功能：

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

　?、撇捎肦S232標準與PC機進行通信;

　　⑶當發(fā)現最差電池單元時，首先顯示該電池

　　單元的剩余電量，其次對該電池進行過放保護并停止使用;⑷存貯最近24個充放電周期的詳細數據;⑸當判斷電池好壞時，允許快速查找電池基本信息和錯誤使用情況;⑹可以控制充電電流和電壓值，采用兩條PWM信號輸出線來實現。

　?、艬ATTMAN系統。

　　該系統是德國B.Hauck設計的。該系統可以實現對不同型號電池組的管理，將不同型號電池組做成一個系統，然后通過硬件和軟件兩方面來選擇。在硬件方面，通過改變硬件的跳線;在軟件方面，通過增加選擇參數的辦法。

　?、请妱悠嘐V1上的電池管理系統。

　　該系統是美國通用汽車公司生產的。該系統最大的優(yōu)點就是電池組的可靠性非常高。

　　該系統由四部分組成：

　　電池模塊(用于汽車驅動和其它用電系統);

　　軟件BPM(Battery Pack Module);

　　電池組熱系統;

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

　　軟件BPM主要完成以下工作：

　　單體電池電壓檢測、高壓保護功能、六路溫度采樣、電流采樣、電池組充電控制、過放保護以及電量估計等。

　　⑷SmartGuard系統

　　該系統是由美國Aerovironment公司開發(fā)的。系統通過一個分布式的專用IC管理裝置來測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來時還可起動電流旁路電路。

　　該系統的主要功能有：

　　● 過充保護;

　　● 當放電反向時，發(fā)出報警信號;

　　● 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。

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

　　1.2.2系統的國內現狀

　　相對于國外來說，國內的鋰離子電池組監(jiān)控管理系統主要是由高校與一些汽車生產商和電池供應商聯合起來共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)勢，經過多年的努力，研發(fā)了許多可靠的電池管理系統并已經投入使用。

　?、臙V-6580輕型電動客車配套的電池管理系統。

　　該系統是由清華大學研發(fā)的。該系統可以實時測量和監(jiān)控電池的充放電電流、電壓等參數，同時提供了過充、過放保護，這樣就大大提高了電池壽命，同時還開發(fā)了與該系統相匹配的充電系統。

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

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

　　該系統采用單片機作為微處理器，具有以下功能：

　　可以實時檢測電池電量、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行參數;

　　具有故障診斷和報警功能;

　　采用分布式網絡控制系統結構，系統參數送入PC機，在PC機中進行標定后，再通過CAN總線與其他系統進行通信，實現信息共享。

　　系統已經投入安裝使用，結果表明該系統大大延長了電池組的壽命，提高了電動車的運行效率，當故障產生后能夠及時發(fā)現進行處理，同時能夠精確的估計電池組的剩余電量，提高了電動車的可靠性。

　　1.2.3鋰離子電池保護的常用方案

　　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電路是非常重要的。

　　鋰離子電池組保護電路首先應當具有對鋰離子電池組的過充保護、過放保護、均衡保護功能。另外，其保護電路除了能夠完成以上功能，還需具備以下特點：

　?、诺凸碾娏鳌?/p>

　　保護電路是在電池工況出現異常的情況下工作，因此保護電路消耗的電流要盡量小，實現降低損耗的目的。

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

　　⑶工作電壓低。

　　保護電路對鋰離子電池進行保護時，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當電池放電時，電壓就會進一步降低，因此，保護電路應該能在低電壓下工作。

　　針對上述提出的應當完成的功能和具備的特點，在目前來說，常用的鋰離子電池管理方法主要有兩種：

　?、挪捎脤Ｓ眯酒匿囯姵毓芾硐到y。在常見的便攜式設備中，通常使用容量較小的鋰電池。首先，考慮的便攜式設備的需求，通常要求系統的保護電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對較小，不需要過度考慮系統的均衡及保護問題。通常使用專用管理芯片并配合外圍電路即可實現簡單的電池充放電管理及保護功能。

　?、苹诒O(jiān)測的鋰電池管理系統。在大容量的鋰電池應用系統中，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實現系統管理。我們通過信號采集電路采集電池組的各種數據，然后將這些數據送入微控制器進行分析，根據分析結果來判斷電池組中各個電池的工作狀態(tài)好壞，依據系統的硬件和軟件設計，對鋰電池組進行智能化管理保護，從而實現對鋰電池電能的有效利用和延長電池壽命的目的。

　　本文是針對16節(jié)鋰離子電池組進行均衡保護設計的，而專用芯片最多只能實現對13節(jié)電池的保護，因此，如果采用專用芯片保護，那么至少需要2個專用芯片才能實現，提高了系統的成本。另外，采用專用芯片的話，鋰電池組的電池個數將固定，這樣系統的靈活性較低。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)控系統的方案，微控制器選用低功耗的MSP430單片機。

　　1.3課題意義及主要研究內容

　　1.3.1本文的意義

　　鋰電池是20世紀末才出現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用，鋰離子電池深受社會和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機、筆記本電腦、數碼相機及眾多的便攜式設備均已使用鋰離子電池作為電源。

　　當前，世界電池工業(yè)技術的發(fā)展，逐漸出現以下三個發(fā)展趨勢：一、突出綠色概念、包括鋰離子電池、無汞堿錳電池等，滿足了人們對電池的需要。二、一次電池向二次電池轉化。正如鋰電池技術的基礎上開發(fā)了可重復使用的鋰離子電池，在無汞錳電池的基礎上開發(fā)了可充電的無汞錳電池。三、便攜式電池稱為用戶的首選。隨著各式各樣的電池出現，用戶在選用電池時，在考慮到電池的環(huán)保、性價比的同時，更加注重電池的便攜性。正因為鋰離子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當前世界電池技術的發(fā)展趨勢。據權威部門預測，我國鋰電池總產值將挑戰(zhàn)100億美元，據IIT等研究機構推測，我國鋰電池行業(yè)的年增長率將超過20%，2016年電池總體需求量將達到50億塊左右?？梢?，在當前和今后相當一段時間，鋰電池將稱為我國電池工業(yè)的龍頭。由此可見，研究鋰電池的管理系統顯得尤為重要，是鋰電池進一步推廣的一個關鍵因素之一。

　　1.3.2本文的主要研究內容

　　本文是針對民用電動車上的鋰離子電池組的監(jiān)控管理而設計的。本系統的主要功能包括鋰離子電池的充放電保護、單體電池的均衡保護、電池故障診斷以及上位機對電池組的實時監(jiān)控等幾個方面。

　　本文的主要內容分為以下幾個部分：

　　第一章、研究目的與意義。簡要介紹鋰電池監(jiān)控系統及其保護電路的現狀和當前的保護方案。

　　第二章、鋰離子電池監(jiān)控系統的基礎研究。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、系統硬件設計。詳細介紹了本文設計的鋰離子電池監(jiān)控系統的硬件總體方案，并詳細介紹了各模塊的硬件電路設計。

　　第四章、單片機軟件設計。詳細介紹了系統的下位機軟件設計流程及系統各模塊的軟件設計方法。

　　第五章、上位機程序設計。詳細介紹了系統的上位機軟件設計流程及系統各模塊的軟件設計方法。

　　第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術實現對電池故障的診斷。

　　第七章、系統測試結果及結論。在系統軟硬件設計完成后，對系統進行了測試，重點是對保護電路、采集精度的測試。

　　本文研究了當前國內外鋰電池監(jiān)控管理系統的現狀，設計了一套鋰離子電池組監(jiān)控系統，完成了軟硬件的設計。在完成系統設計過程中，重點解決了電池均衡和充放電保護問題。通過軟硬件測試，該管理系統均衡及保護電路簡捷、靈敏、可靠。通過實驗測試，該系統具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、反應靈敏、操作簡便等優(yōu)點。