鋰電池管理系統的研究與實(shí)現 — 研究目的與意義

一、鋰電池管理系統概述

二十世紀九十年代以來(lái)，鋰電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應用也越來(lái)越廣泛。由于鋰電池具有放電電壓穩定，工作溫度范圍寬，自放電率低，儲存壽命長(cháng)，無(wú)記憶效應，體積小，重量輕及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸替代鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池，成為動(dòng)力電池的主流。近年來(lái)，鋰電池也被研究人員用在水下機器人和電動(dòng)汽車(chē)上作為動(dòng)力能源，鋰電池的管理和應用成為水下機器人和電動(dòng)汽車(chē)等發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電池管理系統直接檢測及管理儲能電池工作的全過(guò)程，包括電池充放電過(guò)程管理、電池溫度檢測、電池電壓電流檢測、電量估計、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個(gè)方面：

（1）電池充放電過(guò)程管理：即實(shí)時(shí)監控電池充放電時(shí)的溫度、電壓、電流等參數，在發(fā)現異常情況時(shí)及時(shí)做斷開(kāi)充電電路，發(fā)出報警信息等相應處理。

（2）電池溫度檢測：即對電動(dòng)車(chē)蓄電池單個(gè)電池進(jìn)行溫度檢測，依據電池類(lèi)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(shí)做相應處理，并發(fā)出報警信息，提示問(wèn)題電池的位置。

（3）電池電壓電流檢測：即檢測蓄電池各組電壓、電流，依據檢測參數來(lái)通過(guò)算法判斷電池好壞，并估算剩余電量。

（4）電量估計：即電池剩余電量的測量，依據所測參數準確估測動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)（State of Charge，即SOC）。

（5）單體電池間的均衡：即為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達到均衡一致的狀態(tài)。

（6）電池故障診斷：即依據所測單個(gè)電池溫度、電壓等參數對比其正常參數范圍做出診斷處理。

目前，電池管理的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于：

（1）如何根據采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數據，建立確定每塊電池剩余能量的較精確的數學(xué)模型，即儲能電池的SOC狀態(tài)計量技術(shù)。

（2）儲能電池的快速充電技術(shù)及均衡充電技術(shù)。這項技術(shù)是目前世界正在致力研究與開(kāi)發(fā)的另一項電池能量管理系統的關(guān)鍵技術(shù)。

二、鋰電池管理系統研究現狀

國外電池管理系統研究現狀

隨著(zhù)近十年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)研究和使用的不斷升溫，國外一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池供應商針對各種電池作了大量研究及試驗，總結出電池的數學(xué)模型，并成功開(kāi)發(fā)出許多電池管理系統裝在車(chē)上試用。比較有代表性的有：德國Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設計的BADICHEQ系統及BADICOaCH系統；德國的B.Hauck設計的BATTMAN系統；美國通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)EV1上的電池管理系統；美國Aerovironment公司開(kāi)發(fā)的SmartGuard系統（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國AC Propulsion公司開(kāi)發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統。

1、BADICHEQ系統及BADICOaCH系統BADICHEQ系統是以Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首在1991年開(kāi)始設計的，并于1991年12月首次裝車(chē)實(shí)驗，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗和修改，于1992年4月達到如下功能：

● 能同時(shí)對20個(gè)電池單元進(jìn)行電壓測量；

● 能進(jìn)行電流和溫度測量；

● 能根據電池單元對主充電機的充電電流進(jìn)行控制；

● 能用一個(gè)小的充電機對單個(gè)電池進(jìn)行均衡充電；

● 能儲存歷史數據和與PC機進(jìn)行數據通信；。在儀表盤(pán)上顯示最差電池單元的剩余電量、電池電流、實(shí)際電池電量以及各種異常報警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統的改進(jìn)，它有以下特點(diǎn)：

● 它的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是在每個(gè)電池單元上加一個(gè)非線(xiàn)性電路（WLC）來(lái)測量電壓，并將一個(gè)電池組的八個(gè)單元電壓都通過(guò)一條信號線(xiàn)傳遞給BADICOaCH系統，并在那里解碼；

● 裝有兩條PWM信號輸出線(xiàn)來(lái)控制充電電流和電壓的大??；

● 最差電池單元的剩余電量被顯示出來(lái)；

● 給最差電池單元以過(guò)放保護，給出停止使用信號；

● 對最近24個(gè)充放電周期的詳細數據進(jìn)行存貯并允許在對電池好壞作判斷時(shí)進(jìn)行快速查找電池基本信息和錯誤使用情況；

● 與PC機數據傳送采用RS232標準。

2、BATTMAN系統德國的B.Hauck設計的BATTMAN電池管理系統強調了將所有的不同型號動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統，通過(guò)改變硬件的跳線(xiàn)和在軟件上增加選擇參數的辦法，來(lái)實(shí)現對不同型號電池組的管理。之所以要這樣做，是根據對不同型號的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認為這些共同的部分是：

● 決定電池能存貯的電流能量；

● 決定最弱電池單元的剩余電量；

● 能影響電池的運行和數據的記錄；

● 溫度的測量。

3、EV1的電池管理系統通用汽車(chē)公司推出的EVl電動(dòng)汽車(chē)由26個(gè)鉛酸蓄電池供電，放電深度80%，電池壽命是450個(gè)深放電周期，113公里市內行駛里程（美國環(huán)保局指標，USA EPA Schedule）， 145公里高速公路行駛里程（美國環(huán)保局指標，USAEPASchedule）。

EV1的電池管理系統概念定義包括四個(gè)組成部分：

● 電池模塊（用于汽車(chē)驅動(dòng)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）。

可見(jiàn)，EVl的電池管理系統的核心是BPM.BPM有以下功能：

● 單電池電壓監測；

● 電池組電流分流采樣；

● 電池組高壓保護（保險絲）；

● 六個(gè)熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣；

● 以電池組的平均特性控制充電；

● 過(guò)放電報警并降低電動(dòng)汽車(chē)行駛性能；

● 電量或里程計算；

● 高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）。

總的說(shuō)來(lái)，EVl的電池管理系統與一般意義上的電池管理系統有區別，它把系統側重點(diǎn)放在了電池組的可靠性（Safety Features）上。

EVl電池管理系統的可靠性措施有：

● 電池組高壓斷電保護裝置；

● 手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)；

● 地線(xiàn)絕緣失效檢測；

● 自動(dòng)開(kāi)關(guān)與手動(dòng)開(kāi)關(guān)連鎖。

4、SmartGuard系統這個(gè)系統的主要特點(diǎn)是在電池上裝有一個(gè)分布式的管理裝置（用了專(zhuān)用IC）來(lái)測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。

SmartGuard的主要功能有：

● 過(guò)充檢測并防止過(guò)充；

● 提供放電極性反向報警；

● 電池歷史記錄和歸檔；

● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

5、BatOpt系統該系統由每個(gè)電池上的監控模塊和中心控制單元組成一個(gè)分布式系統。通過(guò)two_wire總線(xiàn)，監控模塊向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動(dòng)和自動(dòng)充電策略，它有如下特點(diǎn)：

● 每個(gè)模塊提供5安培的均充電流；

● 模塊有溫度監控；

● two_wire總線(xiàn)接口。

6、深海領(lǐng)域的電池管理系統隨著(zhù)鋰電池在潛水艇、水下機器人等深海領(lǐng)域的廣泛應用，一些科研機構和電池供應商成功開(kāi)發(fā)出適合在深海領(lǐng)域應用的電池管理系統。比如Bruce M.Howe等為MARS海洋觀(guān)測系統研制的鋰電池管理系統。系統的監控單元向上級控制單元報告電池的荷電狀態(tài)，當需要更換電池時(shí)便通知上級控制單元返回碼頭更換電池。監控單元管理電池的電壓、電流、溫度等信息，通過(guò)這些數據可實(shí)現以下功能：

● 溫度保護功能，只有在0 ~ 45 o o C C才可進(jìn)行充電；

● 過(guò)流保護功能，充電電流低于0.7C（C為電池容量）；

● 短路保護功能；。電池組高壓保護（保險絲）；

● 過(guò)充保護功能，單體電池電壓超過(guò)4.3V時(shí)停止充電；

● 過(guò)放保護功能，單體電池電壓低于3.2V時(shí)停止放電；

Phoenix公司為海軍的無(wú)人水下機器人研制的鋰電池管理系統采用三級分布式設計，按單體電池、電池模塊和電池組三個(gè)等級進(jìn)行管理。每個(gè)單體電池上都有最低級別的控制單元，對單體電池進(jìn)行充放電保護。電池模塊可按電壓或電流的需要通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)構成電池組。

三級之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接實(shí)時(shí)讀取每節電池的工作數據，實(shí)時(shí)控制每節電池和電池組的工作。

該電池管理系統可實(shí)現以下功能：

● 短路和過(guò)載保護功能；

● 過(guò)充和過(guò)放保護功能；

● 故障后1秒內自動(dòng)重啟；

● 單節電池關(guān)斷功能，關(guān)斷故障電池后，系統內剩余電池仍可正常工作；

● 電壓、電流和溫度的實(shí)時(shí)報告功能；

● 過(guò)溫保護功能，單節電池超過(guò)135 ℃自動(dòng)關(guān)斷；

電池管理系統如下圖所示：

國內電池管理系統研究現狀

國內針對電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統，仍然處于起步階段。目前主要是一些高校，依托自己的科技優(yōu)勢，聯(lián)合一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池供應商共同開(kāi)展研究，如清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等等，都取得了豐碩的成果：清華大學(xué)為EV-6580輕型電動(dòng)客車(chē)配套的電池管理系統。在行駛過(guò)程中可對電池的充放電電流、電壓等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和監控，防止過(guò)充電、過(guò)放電，提高了電池壽命和效率，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了與該系統相匹配的充電系統。

同濟大學(xué)和北京星恒電池有限公司的鋰離子電池管理系統主要功能有：

電流電壓及電池模塊溫度的采集，SOC估計，自動(dòng)均衡，事故處理與記錄等。

北京航空航天大學(xué)研制的鎳氫電池管理系統主要功能有：

電流電壓及電池箱溫度的采集，SOC估計，運行狀態(tài)判斷和保護功能等。

春蘭研究院的HEV-BMS主要功能有：