電動(dòng)自行車新型鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉毅等

摘 要：近年來，我國的霧霾天氣越發(fā)嚴(yán)重，而霧霾的罪魁禍?zhǔn)字痪褪瞧嚾加臀矚?，研究和發(fā)展太陽能、風(fēng)能等新型清潔能源成為汽車工業(yè)的必然趨勢。電動(dòng)自行車電池的安全性、耐用性一直是制約電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，而電池的關(guān)鍵在于其。本文從電動(dòng)自行車鋰電池管理的均衡、保護(hù)及SOC估算等方面進(jìn)行研究，并通過軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡化的新型鋰電池管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：鋰離子；電池管理系統(tǒng)；電動(dòng)自行車

引言

早期的電動(dòng)自行車受成本限制大多采用鉛酸電池，該類電池存在能量密度比低、循環(huán)壽命短的致命缺點(diǎn)。相對(duì)而言，鋰離子電池輕便高效逐漸成為車用電池的市場主流，但鋰離子電池也存在三大問題：安全問題（對(duì)使用環(huán)境的要求高），單體電池離散性大的問題（一致性差），以及如何合理使用的問題（鋰離子電池的使用壽命直接受使用方式的影響）。本文將從上述問題出發(fā)，對(duì)電動(dòng)自行車鋰離子電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)解決鋰電池應(yīng)用困難，發(fā)揮其能量密度優(yōu)勢，延長其使用壽命。

1 系統(tǒng)簡介

本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池管理系統(tǒng)（Battery Management System），如圖1所示，主要由電池組SOC估算模塊和電池組均衡和保護(hù)模塊兩個(gè)部分組成，電動(dòng)車中央管理系統(tǒng)通過I2C總線與這兩個(gè)模塊進(jìn)行通信，電池組均衡和保護(hù)模塊可以獨(dú)立完成電池的故障保護(hù)和均衡功能，上層可以通過I2C總線讀取相應(yīng)的電池信息。電池組SOC估算模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的信息，并供上層管理系統(tǒng)隨時(shí)查閱。

2 鋰電池保護(hù)及均衡設(shè)計(jì)

完善的BMS必須能夠準(zhǔn)備識(shí)別故障，將誤判的概率降到最低，同時(shí)還要求它能夠迅速的處理這些故障情況。本文BMS的保護(hù)功能包括電池的過壓/欠壓保護(hù)、電池組的過流和短路保護(hù)、以及電池的過溫保護(hù)。保護(hù)功能的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是最重要的兩大關(guān)鍵點(diǎn)。

BMS的均衡主要是針對(duì)單體電池離散性大的問題，當(dāng)鋰離子電池組在充放電的時(shí)候，因?yàn)槠鋯误w電池之間的離散性大，必然容易導(dǎo)致電池組中有的電池充電快，有的充電慢，也就是說，當(dāng)有的電池充電還沒充滿的時(shí)候，有的電池已經(jīng)要過充了，若不采取合適的措施來保證充電的一致性，將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，同樣在放電時(shí)，如果沒有均衡措施，當(dāng)電池組中大部分電池仍然還一定的電量的時(shí)候，個(gè)別電池可能已經(jīng)欠壓了，這將嚴(yán)重?fù)p害電池的使用壽命。

電池管理系統(tǒng)從架構(gòu)來說可以分為集中式和分布式管理兩種類型，集中式的管理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)內(nèi)部通信簡單，便于集中管理，但對(duì)于中央控制系統(tǒng)的要求高。德州儀器公司的BQ77910可完成鋰離子電池管理系統(tǒng)的保護(hù)和均衡功能的處理。本文經(jīng)過分析研究后擬采用集中式管理架構(gòu)并選擇BQ77910為平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組保護(hù)和均衡的集成解決方案。該鋰電子電池管理方案不僅具備集中式電池管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過優(yōu)化的設(shè)計(jì)大大地降低了系統(tǒng)對(duì)中央處理器的資源要求，還通過可編程的保護(hù)功能，以及可配置的硬件設(shè)計(jì)大大增加了靈活性和可伸縮性。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：支持4到10節(jié)鋰離子電池串聯(lián)；獨(dú)立電池電壓監(jiān)控，對(duì)于電池組的過流和短路，電池的過壓/欠壓等故障的檢測具有寬泛的可編程檢測閾值與延遲時(shí)間；硬件直接檢測和控制電池的充放電。基于BQ77910內(nèi)部50mA電池電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電池均衡。系統(tǒng)使用一個(gè)獨(dú)立的比較器來檢查電池是否達(dá)到均衡的閾值以確定是否啟動(dòng)均衡，然后找出超過閾值電壓最高的電池進(jìn)行放電，同一時(shí)刻只有一個(gè)電池在在放電。本系統(tǒng)電池均衡和保護(hù)電路如圖2所示：

3 鋰電池SOC估算設(shè)計(jì)

鋰電池的壽命與使用方式有很大的關(guān)系，不恰當(dāng)?shù)氖褂梅绞綍?huì)加速電池容量的衰減，同時(shí)對(duì)于電動(dòng)自行車用戶來說，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示電量信息非常有必要，所以，對(duì)SOC（State of Charge剩余電量）的準(zhǔn)確估算就顯得尤為重要。本文選擇TI公司的BQ34Z100來進(jìn)行電池組的SOC估算。本文通過測量電池的電壓，電流和溫度信息并用阻抗跟蹤算法來確定電池組的SOC。

4 結(jié)束語

本文分析研究了電動(dòng)自行車的鋰離子電池管理的安全性、耐用性和SOC估算等問題，采用TI電池管理IC對(duì)電動(dòng)車電池保護(hù)和均衡和SOC估算模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明本方案提高了鋰電池的使用安全性，延長了鋰電池的使用壽命，且具有很好的功耗和成本優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉毅（1991，3-），男，湖南衡陽市，學(xué)歷：本科，研究方向：無線通信。