動(dòng)力鋰電池組智能管理系統設計

引言

鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為動(dòng)力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線(xiàn)性、不一致性和時(shí)變特性，因此在應用時(shí)需要進(jìn)行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高，當出現過(guò)充電、過(guò)放電、放電電流過(guò)大或電路短路時(shí)，會(huì )使鋰電池溫度上升，嚴重破壞鋰電池性能，導致電池壽命縮短。當鋰電池串聯(lián)使用于動(dòng)力設備中時(shí)，由于各單節鋰電池間內部特性的不一致，會(huì )導致各節鋰電池充、放電的不一致。一節性能惡化時(shí)，整個(gè)電池組的行為特征都會(huì )受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能，延長(cháng)使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，提供過(guò)壓、過(guò)流、溫度保護和電池間能量均衡。

本文設計的動(dòng)力鋰電池組管理系統安裝在鋰電池組的內部，以單片機為控制核心，在實(shí)現對各節鋰電池能量均衡的同時(shí)，還可以實(shí)現過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、溫度保護及短路保護。通過(guò)LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過(guò)預留的通信端口讀取各節鋰電池的歷史性能狀態(tài)。

系統總體方案設計

動(dòng)力鋰電池智能管理系統主要由充電模塊、數據采集模塊(包括電壓、電流、溫度數據采集)、均衡模塊、電量計算模塊、數據顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 管理系統結構框圖

整個(gè)系統以單片機為主控制器，通過(guò)采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態(tài)及是否有過(guò)流現象，并對其狀態(tài)做出相應處理。對各節電池電壓進(jìn)行采集分析后，系統決定是否啟動(dòng)均衡模塊對整個(gè)電池組進(jìn)行能量均衡，同時(shí)判斷是否有過(guò)充或過(guò)放現象。溫度的采集主要用于系統的過(guò)溫保護。整個(gè)系統的工作狀態(tài)、電流、各節電壓、剩余電量及溫度信息都會(huì )通過(guò)液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。下面對其各個(gè)模塊的實(shí)現方法進(jìn)行介紹。

微控制器 ATmega8

本系統采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機ATmega8。該單片機具備AVR高檔單片機系列的全部性能和特點(diǎn)，支持在線(xiàn)編程(ISP)，只需要一條可自制的下載線(xiàn)就可以進(jìn)行單片機系統的開(kāi)發(fā)。其中ATmega8單片機有6路A/D轉換通道，其中有4路為10位精度，在設計中可直接用于電池電壓的測量。ATmega8的各項性能使其成為適應性強、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特別適合在開(kāi)發(fā)階段使用。

充電控制模塊原理與實(shí)現

鋰電池常規充電法是按預充、恒流、恒壓三個(gè)階段進(jìn)行的，時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 常規充電法時(shí)序圖

由于管理系統是隨電池組一起放在電池箱內，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環(huán)控制，就會(huì )使該管理系統的通用性降低。為實(shí)現高通用性，使管理系統和外部的充電器單獨工作，本電池管理系統采用間歇式充電法，如圖3所示。