水下鋰電池管理系統(tǒng)研究

郝敏釵 程俊紅/石家莊職業(yè)技術學院電氣電子工程系

水下鋰電池管理系統(tǒng)研究

郝敏釵 程俊紅/石家莊職業(yè)技術學院電氣電子工程系

【摘 要】鋰電池的在各個領域的應用也越來越廣泛。目前已逐漸替代鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池，成為動力電池的主流。由于鋰電池內部化學反應的復雜性，人們在不斷提高電池本身性能的同時，也在不斷的研究和發(fā)展電池的使用和管理技術來充分發(fā)揮電池的性能和提高電池效率及使用壽命。因此，電池的應用、監(jiān)控和管理已經(jīng)成為了水下設備發(fā)展中的不可缺少的關鍵技術之一，本文主要對鋰電池整個系統(tǒng)的管理進行研究。

【關鍵詞】鋰電池；電壓；電流；充電設計

一、引言

電動汽車電池管理系統(tǒng)要實現(xiàn)以下幾個功能：準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)，即電池剩余電量，保證剩余電量維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)：在電池充放電過程中，實時采集電動汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時能夠及時給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性，使剩余電量估計模型的實現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。

本文采用CAN 總線通信及數(shù)據(jù)傳輸、I2C 總線測量溫度、新的剩余電量估計算法等；系統(tǒng)結構也實現(xiàn)了分布式、模塊化；人機交互界面上也做到了人性化，進一步提高了實用性。本文研究的鋰電池管理系統(tǒng)為兩級控制結構：中央處理模塊和本地測量模塊。其中，中央處理模塊的任務是通過RS232 與上位機進行通信和通過 CAN 總線網(wǎng)絡與本地測量模塊通信；而本地測量模塊的任務包括充放電控制、單體電池均衡、數(shù)據(jù)采集（包括電壓，電流，溫度的采集）、電量計算和通過CAN總線與中央處理模塊通信。

二、鋰電池硬件管理系統(tǒng)設計方案

電池管理系統(tǒng)應用于水下設備和混合電動車，在設計力爭使系統(tǒng)結構先進、合理、可擴展；系統(tǒng)功能上要完備；各種參數(shù)測量精度高、可靠性高等。該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：（1）

能夠對電池信息實時采集，包括單電池電壓、電池組總電壓、溫度和充放電電流；（2）通過一定的算法對剩余電量估計及顯示；（3）提供數(shù)據(jù)傳送的接口。

在整個系統(tǒng)中本地測量模塊負責電池組的充電，它主要由充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊（包括電壓，電流，溫度數(shù)據(jù)采集）和電量計算模塊組成。各模塊獨立工作，由中央處理器控制，通過CAN總線與中央處理模塊進行通信。中央處理模塊是一臺上位機，通過它監(jiān)測每個電池組的狀態(tài)，與本地測量模塊進行通信。本地測量模塊的主要功能如下：（1）充電模塊：該模塊在初始化階段對自身進行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時檢測當前條件是否符合充電要求。（2）均衡模塊：主要由開關電源實現(xiàn)，接受數(shù)據(jù)采集模塊傳來的電壓信號，在適當?shù)臅r候開啟充電裝置，使電池組內電池更加均勻和一致。（3）數(shù)據(jù)采集模塊：負責采集電池的各種狀態(tài)參數(shù)，如電流、電壓、溫度。（4）電量計算模塊：分析采集過來的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)研究試驗得出的電量估測算法，對電池的當前電量進行估測。（5）CAN總線通信模塊：負責在CAN 總線上收發(fā)數(shù)據(jù)。

三、鋰電池管理系統(tǒng)本地測量模塊各單元設計

該系統(tǒng)的總體設計中MCU使用凌陽 SPCE061A 型單片機，數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓采集、電流采集和溫度采集模塊。

1. 電壓模塊

為了克服多電壓控制的難度，本文采用的電壓監(jiān)測方案。其工作原理是：首先，MCU 控制的多路開關n1K?、n2K?（n= 1,2,3,4,5,6,7），同步地將電容分別接到各單元電池兩端，使電容充電，使電容電壓等于被測單元電池的電壓；然后 MCU控制多路開關n1K?、n2K?斷開，同時合上開關 K1 和 K2 接入單片機的 A/D 進行測量。在測量時，為了避免因電池端電壓不穩(wěn)定對測量結果的影響，會采取多次測量取平均值的方法。此方案可直接使用微處理器內部 A/D，不需要另外單獨加入A/D，節(jié)省了設計成本。在實際電路中模擬開關采用繼電器實現(xiàn)。

2.電流采集模塊

本文采用LEM 公司的電流傳感器 LTSR25-NP 測量充放電過程中的實時電流。該元件是基于霍爾效應的閉環(huán)（帶補償?shù)模┒嗔砍屉娏鱾鞲衅?，采用單極性電壓供電，具有出色的精度、良好的線性度、無插入損耗、最佳的反應時間和電流過載能力。25℃下的測量精度可達±0.2%。額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統(tǒng)設計的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉為0-5V的電壓信號，送至單片機的A/D 轉換可測得充放電電流。

3.溫度采集模塊的設計

溫度采集模塊本文的溫度采集模塊使用的是美國Dallas半導體公司研制的一款可編程智能數(shù)字溫度傳感器DS620。它將A/D轉換器、寄存器、接口電路集成在一個芯片中，可以直接輸出數(shù)字信號。與單片機的接口電路也很簡單，具有控制功能強、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，非常適用于微型、低功耗的溫度測量系統(tǒng)。DS620 數(shù)字溫度傳感器與恒溫器提供低電壓（1.7～3.5V）溫度測量，在 0℃到+70℃溫度范圍內精度為±0.5℃，器件的工作溫度范圍是-55℃至+125℃。在分布式傳感應用中，可實現(xiàn)多點連接，允許多達 8 個 DS620工作于一條總線。

4.均衡模塊的電路設計

在對串聯(lián)連接的蓄電池組進行充電時，由于電池組中各基本單元的電化學特性存在差異，當一些單元電池被充滿電時，而另一些單元電池尚需繼續(xù)充電，這使得被充滿電的單元發(fā)生過充電現(xiàn)象。過充電，對蓄電池產(chǎn)生非常不利的影響。相反，那些長期充電不足的蓄電池，會使蓄電池容量下降，內阻增加，造成蓄電池的早期損壞。因此，被廣泛使用的一種方法就是定期為電池進行均衡充電，使各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。目前對電池組進行均衡管理的算法，主要有能量耗散型和非能量耗散型兩種。

5.充電模塊的設計

普通充電方法將蓄電池的充電過程劃分為三個階段：預充、恒流和恒壓，控制過程及原理簡單，充電初期速度快，充電效率高。但該算法功率消耗引發(fā)的熱量是很大的。為克服這個弊端，本文采取的是將預充和恒壓充電改為間歇充電，而恒流充電則借助于充電電源適配器的限流控制

系統(tǒng)的整體設計方面，本文只研究了1 個中央處理模塊和 1個本地控制模塊組成的兩級控制系統(tǒng)，大大提高了利用效率，方便了數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

參考文獻：

[1]鄭杭波.新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.清華大學,2004（06）.

[2]林成濤,王軍平,陳全世. 電動汽車SOC估計方法原理與應用[J].電池,2004 (05).

項目編號：15210918 基于模糊控制的水下動力電池管理系統(tǒng)研究。

基金項目：河北省科技廳科技支撐項目。