鉅大LARGE | 點擊量：1197次 | 2021年08月26日
鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)分析研究
1鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)概述
鋰離子電池是一種新能源，它具有很多優(yōu)勢，例如：放電電壓穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，自放電率低，儲存壽命長，無記憶效應，體積小，重量輕及無公害等。
因此，從20世紀90年代開始，人們對它進行了大量的研究和加工，今朝已經(jīng)逐漸取代了鉛酸電池、鎳鎘蓄電池。鋰離子電池的使用范疇也非常廣泛，例如筆記本電腦、通訊電臺、便攜式電子設備、航天衛(wèi)星、電動自行車以及電動汽車等裝置中都采用它作為其動力能源。
但是，在使用時，鋰離子電池也有其自身的缺點：
⑴鋰離子電池在充電時，正極中的鋰離子溶出太多回不到原來的狀態(tài)，致使電池放電時鋰離子不能填充到正極的通道。表現(xiàn)為電池充電充不進去造成永久性破壞。這樣非得采取限制充電電壓的方式來控制鋰離子溶出量的措施;
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
⑵鋰離子電池放電放到終點時，內(nèi)部物質就會發(fā)生質變，即負極上的石墨層中的鋰離子全部脫落，下次充電時，沒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倘若不慎使電池短路或者充放電電流過大，會使電池內(nèi)部溫度過高而耗損能量，這樣會縮短放電時間。
因此，鋰離子電池的監(jiān)控管理成為推動鋰離子電池發(fā)展的關鍵技術之一。
本系統(tǒng)通過對鋰離子電池包的電壓、電流和溫度信號的測試和判斷，來實現(xiàn)對電池包充放電過程中所出現(xiàn)的過充、過放、短路以及均衡現(xiàn)象進行保護，并且采用模糊控制辦法來實現(xiàn)對電池故障的診斷。
(1)信號測試：包括電壓信號、電流信號和溫度信號的測試。電壓信號包括對鋰離子電池包總電壓測試和對各節(jié)電池的單體電壓測試;有關電流信號的測試，由于電池包是串聯(lián)的，因此只要測試總電流即可;另外要測試鋰離子電池包的溫度信號，根據(jù)電池類型設定該型號電池安全溫度參數(shù)范圍，在發(fā)現(xiàn)溫度不在安全范圍時做相應解決，并發(fā)出報警信息。
(2)保護電路：通過信號測試電路實時采集鋰離子電池包的電壓、電流和溫度參數(shù)，依據(jù)參數(shù)值，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，從而實現(xiàn)對鋰離子電池包的過充、過放、短路以及均衡的保護。
(3)電池故障診斷：即根據(jù)所測單個電池溫度、電壓等參數(shù)采用模糊控制技術做出故障診斷解決。
(4)電量估計：即電池剩余電量的測量，根據(jù)所測電壓值估測鋰離子電池包的荷電狀態(tài)(StateofCharge，即SOC)。
從當前的情況來看，本系統(tǒng)關鍵要處理以下兩個問題：
(1)通過信號測試電路采集到電壓、電流和溫度參數(shù)后，要怎么樣依據(jù)這些參數(shù)和充放電過程中的一些歷史數(shù)據(jù)，建立故障診斷的模糊控制規(guī)矩，即模糊控制故障診斷技術。
(2)鋰離子電池包在充放電的過程中容易出現(xiàn)單體電池間不均衡現(xiàn)象，這種情況會大大影響鋰離子電池的使用壽命，因此均衡充電技術是本系統(tǒng)要致力研究的另一項關鍵技術。
1.2系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及幾種常用辦法
1.2.1系統(tǒng)的國外現(xiàn)狀在過去的20年里，國外對鋰離子電池包的監(jiān)控管理系統(tǒng)進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(wěn)定的工作。尤其是在近十幾年里，隨著電動汽車的出現(xiàn)，國外一些大的汽車加工商和電池加工商針對鋰離子電池做了大量的研究和試驗，成功研發(fā)了多種鋰離子電池包管理系統(tǒng)。例如：
⑴bADICHEQ系統(tǒng)及bADICOaCH系統(tǒng)。
德國的MentzerElectronicGmbH和WernerRetzlaff經(jīng)過大量的試驗，在1991年設計了bADICHEQ系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下幾個功能：
⑴多個電池能夠同時進行電壓測量(最多20個)，另外可以對電流和溫度進行測量;
⑵電池單元可以控制充電機的充電電流;
⑶可以儲存歷史數(shù)據(jù);
⑷可以實現(xiàn)單體電池的均衡充電;
⑸具有儀表盤顯示功能，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機進行數(shù)據(jù)通信。
在bADICHEQ系統(tǒng)的基礎上進行了一些改進，設計出bADICOaCH系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：
⑴每個電池單元都加有非線性電路，通過該電路完成對單體電池電壓的測量，并且將該電池包所有電池的電壓值由一根信號線送入該系統(tǒng)解碼;
⑵采用RS232標準與pC機進行通信;
⑶當發(fā)現(xiàn)最差電池單元時，首先顯示該電池
單元的剩余電量，其次對該電池進行過放保護并停止使用;⑷存貯最近24個充放電周期的具體數(shù)據(jù);⑸當判斷電池好壞時，準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信號輸出線來實現(xiàn)。
⑵bATTMAN系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是德國b.Hauck設計的。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對不同型號電池包的管理，將不同型號電池包做成一個系統(tǒng)，然后通過硬件和軟件兩方面來選擇。在硬件方面，通過改變硬件的跳線;在軟件方面，通過新增選擇參數(shù)的方法。
⑶電動汽車EV1上的電池管理系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是美國通用汽車公司加工的。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是電池包的可靠性非常高。
該系統(tǒng)由四部分組成：
電池模塊(用于汽車驅動和其它用電系統(tǒng));
軟件bpM(batterypackModule);
電池包熱系統(tǒng);
電池包高壓斷電保護裝置(HighVoltageDisconnect)。
軟件bpM緊要完成以下工作：
單體電池電壓測試、高壓保護功能、六路溫度采樣、電流采樣、電池包充電控制、過放保護以及電量估計等。
⑷SmartGuard系統(tǒng)
該系統(tǒng)是由美國Aerovironment公司開發(fā)的。系統(tǒng)通過一個分布式的專用IC管理裝置來測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來時還可起動電流旁路電路。
該系統(tǒng)的緊要功能有：
●過充保護;
●當放電反向時，發(fā)出報警信號;
●能夠記錄歷史信息;
●供應最差電池單元的剩余電量信息。
⑸batOpt系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是由美國ACpropulsion公司開發(fā)的。在該系統(tǒng)中，每個電池上都裝有監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊經(jīng)過two_wire總線和中心控制單元通信，向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元接收到上述信息后，發(fā)出相應的控制命令，這樣就構成了一個分布式系統(tǒng)。
1.2.2系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀
相有關國外來說，國內(nèi)的鋰離子電池包監(jiān)控管理系統(tǒng)緊要是由高校與一些汽車加工商和電池供應商聯(lián)合起來共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)點，經(jīng)過多年的努力，研發(fā)了許多可靠的電池管理系統(tǒng)并已經(jīng)投入使用。
⑴EV-6580輕型電動客車配套的電池管理系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是由清華大學研發(fā)的。該系統(tǒng)可以實時測量和監(jiān)控電池的充放電電流、電壓等參數(shù)，同時供應了過充、過放保護，這樣就大大提高了電池壽命，同時還開發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。
⑵同濟大學研發(fā)的鋰離子電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是同濟大學與北京星恒電池有限公司合作研發(fā)的。該系統(tǒng)的緊要功能有：電壓、電流和溫度的精確采集，電池電量估計，均衡保護，事故解決與記錄等。
⑶北京理工大學研制的電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是專門為電動汽車上的電池開發(fā)的。
該系統(tǒng)采用單片機作為微解決器，具有以下功能：
可以實時測試電池電量、電池包總電壓、總電流和各單體電池電壓以及電池包溫度等各種運行參數(shù);
具有故障診斷和報警功能;
采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構，系統(tǒng)參數(shù)送入pC機，在pC機中進行標定后，再通過CAN總線與其他系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)信息共享。
系統(tǒng)已經(jīng)投入安裝使用，結果聲明該系統(tǒng)大大延長了電池包的壽命，提高了電動汽車的運行效率，當故障出現(xiàn)后能夠及時發(fā)現(xiàn)進行解決，同時能夠精確的估計電池包的剩余電量，提高了電動汽車的可靠性。
1.2.3鋰離子電池保護的常用辦法
從前面的解析中，我們可以看到，在鋰離子電池包的使用過程中，鋰離子電池易受到過充、過放的影響，大大減少鋰離子電池的使用壽命。因此，鋰離子電池包的保護電路是非常緊要的。
鋰離子電池包保護電路首先應該具有對鋰離子電池包的過充保護、過放保護、均衡保護功能。另外，其保護電路除了能夠完成以上功能，還需具備以下特點：
⑴低功耗電流。
保護電路是在電池工況出現(xiàn)異常的情況下工作，因此保護電路消耗的電流要盡量小，實現(xiàn)降低損耗的目的。
⑵測試精度要高。過充電測試要求電路的精度高，倘若測試精度不高，就不能保證電池容量的充足使用。
⑶工作電壓低。
保護電路對鋰離子電池進行保護時，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當電池放電時，電壓就會進一步降低，因此，保護電路應當能在低電壓下工作。
針對上述提出的應該完成的功能和具備的特點，在目前來說，常用的鋰離子電池管理辦法緊要有兩種：
⑴采用專用芯片的鋰離子電池管理系統(tǒng)。在常見的便攜式設備中，通常使用容量較小的鋰離子電池。首先，考慮的便攜式設備的需求，通常要求系統(tǒng)的保護電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對較小，不要過度考慮系統(tǒng)的均衡及保護問題。通常使用專用管理芯片并配合外圍電路即可實現(xiàn)簡單的電池充放電管理及保護功能。
⑵基于監(jiān)測的鋰離子電池管理系統(tǒng)。在大容量的鋰離子電池使用系統(tǒng)中，專用的鋰離子電池管理芯片已不能滿足要，要采用采用微控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)管理。我們通過信號采集電路采集電池包的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)送入微控制器進行分解，依據(jù)分解結果來判斷電池包中各個電池的工作狀態(tài)好壞，根據(jù)系統(tǒng)的硬件和軟件設計，對鋰離子電池包進行智能化管理保護，從而實現(xiàn)對鋰離子電池電能的有效利用和延長電池壽命的目的。
本文是針對16節(jié)鋰離子電池包進行均衡保護設計的，而專用芯片最多只能實現(xiàn)對13節(jié)電池的保護，因此，倘若采用專用芯片保護，那么至少要2個專用芯片才能實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的成本。另外，采用專用芯片的話，鋰離子電池包的電池個數(shù)將固定，這樣系統(tǒng)的靈活性較低。綜合多方面的考慮，本文采用基于微控制器鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的辦法，微控制器選用低功耗的MSp430單片機。
1.3課題意義及緊要研究內(nèi)容
1.3.1本文的意義
鋰離子電池是20世紀末才出現(xiàn)的綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池的推廣及大量使用，鋰離子電池深受社會和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機及眾多的便攜式設備均已使用鋰離子電池作為電源。
當前，世界電池工業(yè)技術的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)以下三個發(fā)展趨勢：一、突出綠色概念、包括鋰離子電池、無汞堿錳電池等，滿足了人們對電池的要。二、一次電池向二次電池轉化。正如鋰離子電池技術的基礎上開發(fā)了可重復使用的鋰離子電池，在無汞錳電池的基礎上開發(fā)了可充電的無汞錳電池。三、便攜式電池稱為用戶的首選。隨著各式各樣的電池出現(xiàn)，用戶在選用電池時，在考慮到電池的環(huán)保、性價比的同時，更加重視電池的便攜性。正因為鋰離子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當前世界電池技術的發(fā)展趨勢。據(jù)權威部門預測，我國鋰離子電池總產(chǎn)值將挑戰(zhàn)100億美元，據(jù)IIT等研究機構猜測，我國鋰離子電池行業(yè)的年上升率將超過20%，2016年電池總體需求量將達到50億塊左右。可見，在當前和今后相當一段時間，鋰離子電池將稱為我國電池工業(yè)的龍頭。由此可見，研究鋰離子電池的管理系統(tǒng)顯得尤為緊要，是鋰離子電池進一步推廣的一個關鍵因素之一。
1.3.2本文的緊要研究內(nèi)容
本文是針對民用電動汽車上的鋰離子電池包的監(jiān)控管理而設計的。本系統(tǒng)的緊要功能包括鋰離子電池的充放電保護、單體電池的均衡保護、電池故障診斷以及上位機對電池包的實時監(jiān)控等幾個方面。
本文的緊要內(nèi)容分為以下幾個部分：
第一章、研究目的與意義。簡要解析鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)及其保護電路的現(xiàn)狀和當前的保護辦法。
第二章、鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的基礎研究。分解電池特性、電量管理、及鋰離子電池的采取均衡措施的原由及常用辦法。
第三章、系統(tǒng)硬件設計。具體解析了本文設計的鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體辦法，并具體解析了各模塊的硬件電路設計。
第四章、單片機軟件設計。具體解析了系統(tǒng)的下位機軟件設計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設計辦法。
第五章、上位機程序設計。具體解析了系統(tǒng)的上位機軟件設計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設計辦法。
第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術實現(xiàn)對電池故障的診斷。
第七章、系統(tǒng)探測結果及結論。在系統(tǒng)軟硬件設計完成后，對系統(tǒng)進行了探測，重點是對保護電路、采集精度的探測。
本文研究了當前國內(nèi)外鋰離子電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計了一套鋰離子電池包監(jiān)控系統(tǒng)，完成了軟硬件的設計。在完成系統(tǒng)設計過程中，重點處理了電池均衡和充放電保護問題。通過軟硬件探測，該管理系統(tǒng)均衡及保護電路簡捷、靈巧、可靠。通過試驗探測，該系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、反應靈巧、操作簡便等優(yōu)勢。
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