一種新型鋰電池管理系統的設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，鋰電池在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)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(guān)鍵的技術(shù)。本文通過(guò)對鋰電池技術(shù)的研究，設計了一種新型的關(guān)于鋰電池的管理系統，并介紹了實(shí)現方法。該鋰電池管理系統的設計，實(shí)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(gè)電池間的均衡等功能本地測量模塊，具體分析了實(shí)現各個(gè)模塊的硬件設計。

　　本世紀初以來(lái)，鋰電池生產(chǎn)與研究獲得了非常大的突破，因其擁有的諸多良好優(yōu)點(diǎn)，如放電電壓穩定，自放電率低，工作溫度范圍寬，無(wú)記憶效應，儲存壽命長(cháng)，重量輕，體積小等特點(diǎn)，已經(jīng)慢慢地代替了傳統的鎳鎘蓄電池及鉛酸蓄電池，在社會(huì )生產(chǎn)和生活的應用領(lǐng)域越來(lái)越寬，變成了目前主流的動(dòng)力電池。因為在鋰電池內部，其化學(xué)反應非常復雜，在人們不斷完善電池自身性能的同時(shí)，也在對電池的管理技術(shù)及使用進(jìn)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(BatteryManagementSystem，BMS)，它涉及微電腦技術(shù)及檢測等技術(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)地監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(shí)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(jìn)成果，設計并實(shí)現了一種新的鋰電池管理系統。本管理系統結構采用模塊化、分布式的設計，系統包含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(shí)施通信，以CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )形式進(jìn)行和本地測量模塊連通;本地測量模塊主要的功能為數據采集(主要為溫度、電流及電壓的數據采集)，充放電控制，電量測量，單個(gè)電池均衡及利用CAN總線(xiàn)技術(shù)與中央處理模塊通信等。

　　1管理系統硬件設計方案

　　本文設計的電池管理系統，主要是應用在電動(dòng)車(chē)及一些水下設備，因此系統設計上要結構合理，技術(shù)先進(jìn)，可擴展性強;系統的各種參數技術(shù)準確度要高。因此，本電池管理系統的設計，要實(shí)現以下各種功能：

　　1)實(shí)時(shí)采集電池信息，包含電池組總電壓，單個(gè)電池電壓，充放電電流及溫度等參數;

　　2)測量和顯示剩余電量;

　　3)能夠提供數據傳輸接口，完成和CAN總線(xiàn)部分及上位機的通信;

　　4)人機交互功能好，系統安全、可靠，具有較強的抗干擾性。

　　電池管理系統框圖如圖1所示。

　　在圖1中能夠看出，本鋰電池管理系統包含2級的控制結構，分別是中央處理模塊(CentralElectricControlUnit，CECU)、本地測量模塊(LocalElectricControlUnit，LECU)，中央處理模塊和本地測量模塊是以CAN總線(xiàn)的形式實(shí)現通信連接。本電池管理系統結構如圖2所示。在圖2中，本地測量模塊的主要功能是進(jìn)行對電池組的充電，組成模塊有：數據采集模塊(為要為電流，電壓，溫度等的數據采集)，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(jìn)行本地測量模塊的管理，利用CAN總線(xiàn)通信方式，進(jìn)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(gè)關(guān)鍵的模塊進(jìn)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(shí)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(gè)主要依據，所以對電池組進(jìn)行監控的前提條件，就是要有一個(gè)合理的單電池端電壓測量方法。然而因為電池組中電池數目多，總的電壓比較高，測量的精度要求高，因而實(shí)施電源測量的難度比較大。電壓監測方案的工作原理是：第一步，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)Kn-1、Kn-2(n為數1至7之間)，同步把電容與與之對應的單元電池兩端實(shí)施對接，開(kāi)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(kāi)關(guān)Kn-1、Kn-2進(jìn)行斷開(kāi)，并把開(kāi)關(guān)K1及K2合上，接到單片機的A/D模塊實(shí)施測量。在測量的時(shí)候，基于防止因電池端電壓不穩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，節省了成本。通常在實(shí)際的電路中，可以使用繼電器來(lái)實(shí)現模擬開(kāi)關(guān)。

　　2.2電流采集模塊

　　對于充放電過(guò)程中動(dòng)態(tài)電流的測量，本文通過(guò)使用LEM公司LTSR25-NP電流傳感器來(lái)實(shí)現。此元件是基于霍爾效應的帶補償的閉環(huán)多量程電流傳感器，通過(guò)單極性電壓的方式進(jìn)行供電，擁有良好的測量精度，沒(méi)有插入損耗，線(xiàn)性度出色，電流過(guò)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(shí)現系統設計要求。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(guò)美國Dallas半導體公司的DS620可編程智能數字溫度傳感器實(shí)現的。其芯片里含有寄存器、A/D轉換器以及接口電路，能夠直接把數字信號輸出。其和單片機的接口電路比較簡(jiǎn)單，傳輸距離長(cháng)，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。該DS620數字溫度傳感器，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?？梢詰迷诜植际降膫鞲邢到y中，進(jìn)行多點(diǎn)的連接，一條總線(xiàn)可以同時(shí)連接8個(gè)DS620同時(shí)工作。本文通過(guò)SPCE061A的IOA2及IOA3接口，模擬I2C總線(xiàn)，進(jìn)行和DS620的通信。

　　2.4均衡模塊

　　實(shí)施對串聯(lián)連接的蓄電池組充電時(shí)，因為電池組里的各單元化學(xué)特性的差異，如果一些單元電池充滿(mǎn)電，但另一些單元電池卻還沒(méi)有充電完畢，這就會(huì )發(fā)生被充滿(mǎn)電的電池單元產(chǎn)生過(guò)充電現象，這就會(huì )對蓄電池影響很大。與此相反，如果那些蓄電池不能長(cháng)期充足電，及會(huì )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(guò)程中的一些充電不足及過(guò)充問(wèn)題的一個(gè)最有效的方法，就是實(shí)施對電池均衡充電，讓所有的電池均可以達到均衡一致?tīng)顟B(tài)。本電池管理系統所采用的均衡方案，即采用雙向可逆DC/DC動(dòng)態(tài)均衡方法的原理，通過(guò)DC/DC開(kāi)關(guān)電源，在充放電過(guò)程中依據檢測到的各單體電池的電壓值，進(jìn)行對需充電的單節電池動(dòng)態(tài)均衡充電，用電池組的電量對該節電池實(shí)施額外的均衡充電。DC/DC開(kāi)關(guān)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(xiàn)為恒壓與恒流充電曲線(xiàn)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(guò)程分成3個(gè)部分，即：預充、恒流及恒壓，其原理和控制過(guò)程比較簡(jiǎn)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(gè)問(wèn)題，本文通過(guò)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(shí)序圖如圖3所示。

　　當鋰離子電池組進(jìn)行充電時(shí)，如果該電池組安裝有電池管理系統，則必須要外接一個(gè)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表示電池的節數，而損耗電壓是通過(guò)實(shí)驗獲得。在本系統中，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(shí)，取TS-LCP50AHA型電池的最佳充電電流0.3C。對電池進(jìn)行充電之前，一定要先實(shí)施系統的初始化，接著(zhù)在以預充、恒流充電及恒壓充電這3個(gè)步驟進(jìn)行電池的充電。

　　3結束語(yǔ)

　　綜上所述，本文設計并實(shí)現了一種新型的鋰離子電池管理系統，詳細介紹了系統的硬件設計方案及各個(gè)功能模塊的詳細設計。在試驗過(guò)程中，本系統運行比較正常，各項技術(shù)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，系統具有較好的可靠性和實(shí)用性。