鋰離子電池組監控系統研究與實(shí)現 ― 研究目的與意義

1 鋰離子電池監控系統概述

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。

因此，從20世紀90年代開(kāi)始，人們對它進(jìn)行了大量的研究和生產(chǎn)，現在已經(jīng)逐漸取代了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池。鋰離子電池的應用領(lǐng)域也非常廣泛，例如筆記本電腦、通訊電臺、便攜式電子設備、航天衛星、電動(dòng)自行車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)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)：

⑴鋰離子電池在充電時(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;

⑵鋰離子電池放電放到終點(diǎn)時(shí)，內部物質(zhì)就會(huì )發(fā)生質(zhì)變，即負極上的石墨層中的鋰離子全部脫落，下次充電時(shí)，沒(méi)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;

⑶如果不慎使電池短路或者充放電電流過(guò)大，會(huì )使電池內部溫度過(guò)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。

本系統通過(guò)對鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號的檢測和判斷，來(lái)實(shí)現對電池組充放電過(guò)程中所出現的過(guò)充、過(guò)放、短路以及均衡現象進(jìn)行保護，并且采用模糊控制方法來(lái)實(shí)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(lián)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(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。

(2)保護電路：通過(guò)信號檢測電路實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)現異常情況，從而實(shí)現對鋰離子電池組的過(guò)充、過(guò)放、短路以及均衡的保護。

(3)電池故障診斷：即依據所測單個(gè)電池溫度、電壓等參數采用模糊控制技術(shù)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(lái)看，本系統關(guān)鍵需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

(1)通過(guò)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(guò)程中的一些歷史數據，建立故障診斷的模糊控制規則，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(guò)程中容易出現單體電池間不均衡現象，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)是本系統需要致力研究的另一項關(guān)鍵技術(shù)。

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(guò)去的20年里，國外對鋰離子電池組的監控管理系統進(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定的工作。尤其是在近十幾年里，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的出現，國外一些大的汽車(chē)生產(chǎn)商和電池生產(chǎn)商針對鋰離子電池做了大量的研究和實(shí)驗，成功研發(fā)了多種鋰離子電池組管理系統。例如：

⑴BADICHEQ系統及BADICOaCH系統。

德國的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗，在1991年設計了BADICHEQ系統，該系統具有以下幾個(gè)功能：

⑴多個(gè)電池能夠同時(shí)進(jìn)行電壓測量(最多20個(gè))，另外可以對電流和溫度進(jìn)行測量;

⑵電池單元可以控制充電機的充電電流;

⑶可以?xún)Υ鏆v史數據;

⑷可以實(shí)現單體電池的均衡充電;

⑸具有儀表盤(pán)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;

⑹可以與PC機進(jìn)行數據通信。

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

⑴每個(gè)電池單元都加有非線(xiàn)性電路，通過(guò)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(xiàn)送入該系統解碼;

⑵采用RS232標準與PC機進(jìn)行通信;

⑶當發(fā)現最差電池單元時(shí)，首先顯示該電池

單元的剩余電量，其次對該電池進(jìn)行過(guò)放保護并停止使用;⑷存貯最近24個(gè)充放電周期的詳細數據;⑸當判斷電池好壞時(shí)，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(xiàn)來(lái)實(shí)現。

⑵BATTMAN系統。

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

⑶電動(dòng)汽車(chē)EV1上的電池管理系統。

該系統是美國通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的。該系統最大的優(yōu)點(diǎn)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(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)。

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(guò)放保護以及電量估計等。