水下鋰電池管理系統(tǒng)研究

郝敏釵　程俊紅

【摘 要】鋰電池的在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(dòng)力電池的主流。由于鋰電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，人們?cè)诓粩嗵岣唠姵乇旧硇阅艿耐瑫r(shí)，也在不斷的研究和發(fā)展電池的使用和管理技術(shù)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(yīng)用、監(jiān)控和管理已經(jīng)成為了水下設(shè)備發(fā)展中的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要對(duì)鋰電池整個(gè)系統(tǒng)的管理進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；電壓；電流；充電設(shè)計(jì)

一、 引言

電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)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(nèi)，防止由于過充電或過放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)：在電池充放電過程中，實(shí)時(shí)采集電動(dòng)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(shí)能夠及時(shí)給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運(yùn)行的可靠性和高效性，使剩余電量估計(jì)模型的實(shí)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(jìn)一步優(yōu)化和開發(fā)新型電池、充電器、電動(dòng)機(jī)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(cè)量溫度、新的剩余電量估計(jì)算法等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了分布式、模塊化；人機(jī)交互界面上也做到了人性化，進(jìn)一步提高了實(shí)用性。本文研究的鋰電池管理系統(tǒng)為兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)：中央處理模塊和本地測(cè)量模塊。其中，中央處理模塊的任務(wù)是通過RS232 與上位機(jī)進(jìn)行通信和通過 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與本地測(cè)量模塊通信；而本地測(cè)量模塊的任務(wù)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(jì)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(shè)計(jì)方案

電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于水下設(shè)備和混合電動(dòng)車，在設(shè)計(jì)力爭(zhēng)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可擴(kuò)展；系統(tǒng)功能上要完備；各種參數(shù)測(cè)量精度高、可靠性高等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）

能夠?qū)﹄姵匦畔?shí)時(shí)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(duì)剩余電量估計(jì)及顯示；（3）提供數(shù)據(jù)傳送的接口。

在整個(gè)系統(tǒng)中本地測(cè)量模塊負(fù)責(zé)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(jì)算模塊組成。各模塊獨(dú)立工作，由中央處理器控制，通過CAN總線與中央處理模塊進(jìn)行通信。中央處理模塊是一臺(tái)上位機(jī)，通過它監(jiān)測(cè)每個(gè)電池組的狀態(tài)，與本地測(cè)量模塊進(jìn)行通信。本地測(cè)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(duì)自身進(jìn)行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時(shí)檢測(cè)當(dāng)前條件是否符合充電要求。（2）均衡模塊：主要由開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，接受數(shù)據(jù)采集模塊傳來的電壓信號(hào)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開啟充電裝置，使電池組內(nèi)電池更加均勻和一致。（3）數(shù)據(jù)采集模塊：負(fù)責(zé)采集電池的各種狀態(tài)參數(shù)，如電流、電壓、溫度。（4）電量計(jì)算模塊：分析采集過來的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)研究試驗(yàn)得出的電量估測(cè)算法，對(duì)電池的當(dāng)前電量進(jìn)行估測(cè)。（5）CAN總線通信模塊：負(fù)責(zé)在CAN 總線上收發(fā)數(shù)據(jù)。

三、鋰電池管理系統(tǒng)本地測(cè)量模塊各單元設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中MCU使用凌陽 SPCE061A 型單片機(jī)，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(cè)方案。其工作原理是：首先，MCU 控制的多路開關(guān)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(cè)單元電池的電壓；然后 MCU控制多路開關(guān)n1K？、n2K？斷開，同時(shí)合上開關(guān) K1 和 K2 接入單片機(jī)的 A/D 進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，為了避免因電池端電壓不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，會(huì)采取多次測(cè)量取平均值的方法。此方案可直接使用微處理器內(nèi)部 A/D，不需要另外單獨(dú)加入A/D，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。在實(shí)際電路中模擬開關(guān)采用繼電器實(shí)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(cè)量充放電過程中的實(shí)時(shí)電流。該元件是基于霍爾效應(yīng)的閉環(huán)（帶補(bǔ)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(yīng)時(shí)間和電流過載能力。25℃下的測(cè)量精度可達(dá)±0.2%。額定電流為25A，最高可測(cè)80A的電流，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉(zhuǎn)為0-5V的電壓信號(hào)，送至單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換可測(cè)得充放電電流。

3.溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

溫度采集模塊本文的溫度采集模塊使用的是美國(guó)Dallas半導(dǎo)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(zhuǎn)換器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片中，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。與單片機(jī)的接口電路也很簡(jiǎn)單，具有控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適用于微型、低功耗的溫度測(cè)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(cè)量，在 0℃到+70℃溫度范圍內(nèi)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(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，允許多達(dá) 8 個(gè) DS620工作于一條總線。

4.均衡模塊的電路設(shè)計(jì)

在對(duì)串聯(lián)連接的蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，由于電池組中各基本單元的電化學(xué)特性存在差異，當(dāng)一些單元電池被充滿電時(shí)，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(duì)蓄電池產(chǎn)生非常不利的影響。相反，那些長(zhǎng)期充電不足的蓄電池，會(huì)使蓄電池容量下降，內(nèi)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(jìn)行均衡充電，使各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。目前對(duì)電池組進(jìn)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(shè)計(jì)

普通充電方法將蓄電池的充電過程劃分為三個(gè)階段：預(yù)充、恒流和恒壓，控制過程及原理簡(jiǎn)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(gè)弊端，本文采取的是將預(yù)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(shè)計(jì)方面，本文只研究了1 個(gè)中央處理模塊和 1 個(gè)本地控制模塊組成的兩級(jí)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(xiàn)：

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

[2]林成濤，王軍平，陳全世. 電動(dòng)汽車SOC估計(jì)方法原理與應(yīng)用[J].電池，2004 （05）.

基金項(xiàng)目：河北省科技廳科技支撐項(xiàng)目。

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