鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) — 研究目的與意義

一、鋰電池管理系統(tǒng)概述

二十世紀九十年代以來，鋰電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進展，在各個領域的應用也越來越廣泛。由于鋰電池具有放電電壓穩(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，重量輕及無公害等優(yōu)點，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。近年來，鋰電池也被研究人員用在水下機器人和電動汽車上作為動力能源，鋰電池的管理和應用成為水下機器人和電動汽車等發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電池管理系統(tǒng)直接檢測及管理儲能電池工作的全過程，包括電池充放電過程管理、電池溫度檢測、電池電壓電流檢測、電量估計、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個方面：

（1）電池充放電過程管理：即實時監(jiān)控電池充放電時的溫度、電壓、電流等參數(shù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時及時做斷開充電電路，發(fā)出報警信息等相應處理。

（2）電池溫度檢測：即對電動車蓄電池單個電池進行溫度檢測，依據(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處理，并發(fā)出報警信息，提示問題電池的位置。

（3）電池電壓電流檢測：即檢測蓄電池各組電壓、電流，依據(jù)檢測參數(shù)來通過算法判斷電池好壞，并估算剩余電量。

（4）電量估計：即電池剩余電量的測量，依據(jù)所測參數(shù)準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)（State of Charge，即SOC）。

（5）單體電池間的均衡：即為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。

（6）電池故障診斷：即依據(jù)所測單個電池溫度、電壓等參數(shù)對比其正常參數(shù)范圍做出診斷處理。

目前，電池管理的難點和關(guān)鍵在于：

（1）如何根據(jù)采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，建立確定每塊電池剩余能量的較精確的數(shù)學模型，即儲能電池的SOC狀態(tài)計量技術(shù)。

（2）儲能電池的快速充電技術(shù)及均衡充電技術(shù)。這項技術(shù)是目前世界正在致力研究與開發(fā)的另一項電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

二、鋰電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著近十年來電動汽車研究和使用的不斷升溫，國外一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應商針對各種電池作了大量研究及試驗，總結(jié)出電池的數(shù)學模型，并成功開發(fā)出許多電池管理系統(tǒng)裝在車上試用。比較有代表性的有：德國Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設計的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)；德國的B.Hauck設計的BATTMAN系統(tǒng)；美國通用汽車公司生產(chǎn)的電動汽車EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國AC Propulsion公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。

1、BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)BADICHEQ系統(tǒng)是以Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首在1991年開始設計的，并于1991年12月首次裝車實驗，經(jīng)過不斷的實驗和修改，于1992年4月達到如下功能：

● 能同時對20個電池單元進行電壓測量；

● 能進行電流和溫度測量；

● 能根據(jù)電池單元對主充電機的充電電流進行控制；

● 能用一個小的充電機對單個電池進行均衡充電；

● 能儲存歷史數(shù)據(jù)和與PC機進行數(shù)據(jù)通信；。在儀表盤上顯示最差電池單元的剩余電量、電池電流、實際電池電量以及各種異常報警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統(tǒng)的改進，它有以下特點：

● 它的一個最重要的特點是在每個電池單元上加一個非線性電路（WLC）來測量電壓，并將一個電池組的八個單元電壓都通過一條信號線傳遞給BADICOaCH系統(tǒng)，并在那里解碼；

● 裝有兩條PWM信號輸出線來控制充電電流和電壓的大?。?/p>

● 最差電池單元的剩余電量被顯示出來；

● 給最差電池單元以過放保護，給出停止使用信號；

● 對最近24個充放電周期的詳細數(shù)據(jù)進行存貯并允許在對電池好壞作判斷時進行快速查找電池基本信息和錯誤使用情況；

● 與PC機數(shù)據(jù)傳送采用RS232標準。

2、BATTMAN系統(tǒng)德國的B.Hauck設計的BATTMAN電池管理系統(tǒng)強調(diào)了將所有的不同型號動力型電池組的管理做成一個系統(tǒng)，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來實現(xiàn)對不同型號電池組的管理。之所以要這樣做，是根據(jù)對不同型號的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認為這些共同的部分是：

● 決定電池能存貯的電流能量；

● 決定最弱電池單元的剩余電量；

● 能影響電池的運行和數(shù)據(jù)的記錄；

● 溫度的測量。

3、EV1的電池管理系統(tǒng)通用汽車公司推出的EVl電動汽車由26個鉛酸蓄電池供電，放電深度80%，電池壽命是450個深放電周期，113公里市內(nèi)行駛里程（美國環(huán)保局指標，USA EPA Schedule）， 145公里高速公路行駛里程（美國環(huán)保局指標，USAEPASchedule）。

EV1的電池管理系統(tǒng)概念定義包括四個組成部分：

● 電池模塊（用于汽車驅(qū)動和其它用電系統(tǒng)）；

● 軟件BPM （Battery Pack Module）；

● 電池組熱系統(tǒng)；

● 電池組高壓斷電保護裝置（High Voltage Disconnect）。

可見，EVl的電池管理系統(tǒng)的核心是BPM.BPM有以下功能：

● 單電池電壓監(jiān)測；

● 電池組電流分流采樣；

● 電池組高壓保護（保險絲）；

● 六個熱敏電阻進行溫度采樣；

● 以電池組的平均特性控制充電；

● 過放電報警并降低電動汽車行駛性能；

● 電量或里程計算；

● 高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）。

總的說來，EVl的電池管理系統(tǒng)與一般意義上的電池管理系統(tǒng)有區(qū)別，它把系統(tǒng)側(cè)重點放在了電池組的可靠性（Safety Features）上。

EVl電池管理系統(tǒng)的可靠性措施有：

● 電池組高壓斷電保護裝置；

● 手動斷電開關(guān)；

● 地線絕緣失效檢測；

● 自動開關(guān)與手動開關(guān)連鎖。

4、SmartGuard系統(tǒng)這個系統(tǒng)的主要特點是在電池上裝有一個分布式的管理裝置（用了專用IC）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。

SmartGuard的主要功能有：

● 過充檢測并防止過充；

● 提供放電極性反向報警；

● 電池歷史記錄和歸檔；

● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

5、BatOpt系統(tǒng)該系統(tǒng)由每個電池上的監(jiān)控模塊和中心控制單元組成一個分布式系統(tǒng)。通過two_wire總線，監(jiān)控模塊向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動和自動充電策略，它有如下特點：

● 每個模塊提供5安培的均充電流；

● 模塊有溫度監(jiān)控；

● two_wire總線接口。

6、深海領域的電池管理系統(tǒng)隨著鋰電池在潛水艇、水下機器人等深海領域的廣泛應用，一些科研機構(gòu)和電池供應商成功開發(fā)出適合在深海領域應用的電池管理系統(tǒng)。比如Bruce M.Howe等為MARS海洋觀測系統(tǒng)研制的鋰電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的監(jiān)控單元向上級控制單元報告電池的荷電狀態(tài)，當需要更換電池時便通知上級控制單元返回碼頭更換電池。監(jiān)控單元管理電池的電壓、電流、溫度等信息，通過這些數(shù)據(jù)可實現(xiàn)以下功能：

● 溫度保護功能，只有在0 ~ 45 o o C C才可進行充電；

● 過流保護功能，充電電流低于0.7C（C為電池容量）；

● 短路保護功能；。電池組高壓保護（保險絲）；

● 過充保護功能，單體電池電壓超過4.3V時停止充電；

● 過放保護功能，單體電池電壓低于3.2V時停止放電；

Phoenix公司為海軍的無人水下機器人研制的鋰電池管理系統(tǒng)采用三級分布式設計，按單體電池、電池模塊和電池組三個等級進行管理。每個單體電池上都有最低級別的控制單元，對單體電池進行充放電保護。電池模塊可按電壓或電流的需要通過串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成電池組。

三級之間通過網(wǎng)絡連接實時讀取每節(jié)電池的工作數(shù)據(jù)，實時控制每節(jié)電池和電池組的工作。

該電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

● 短路和過載保護功能；

● 過充和過放保護功能；

● 故障后1秒內(nèi)自動重啟；

● 單節(jié)電池關(guān)斷功能，關(guān)斷故障電池后，系統(tǒng)內(nèi)剩余電池仍可正常工作；

● 電壓、電流和溫度的實時報告功能；

● 過溫保護功能，單節(jié)電池超過135 ℃自動關(guān)斷；

電池管理系統(tǒng)如下圖所示：

國內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)針對電動汽車的電池管理系統(tǒng)，仍然處于起步階段。目前主要是一些高校，依托自己的科技優(yōu)勢，聯(lián)合一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應商共同開展研究，如清華大學、北京理工大學、同濟大學、北京航天航空大學等等，都取得了豐碩的成果：清華大學為EV-6580輕型電動客車配套的電池管理系統(tǒng)。在行駛過程中可對電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進行實時測量和監(jiān)控，防止過充電、過放電，提高了電池壽命和效率，同時還開發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

同濟大學和北京星恒電池有限公司的鋰離子電池管理系統(tǒng)主要功能有：

電流電壓及電池模塊溫度的采集，SOC估計，自動均衡，事故處理與記錄等。

北京航空航天大學研制的鎳氫電池管理系統(tǒng)主要功能有：

電流電壓及電池箱溫度的采集，SOC估計，運行狀態(tài)判斷和保護功能等。

春蘭研究院的HEV-BMS主要功能有：

電流電壓及電池箱溫度的采集，SOC估計，自動均衡，電池故障診斷和安全保護。

北京理工大學王建群等為純電動汽車研制的電池管理系統(tǒng)以單片機為核心，采用分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實時檢測動力電池的各種運行參數(shù)：

電池SOC、總電壓、總電流、單體模塊電壓、電池包內(nèi)特征溫度；

可以根據(jù)電池狀態(tài)進行故障診斷和報警，同時具有熱管理功能等；

系統(tǒng)參數(shù)通過PC進行標定，通過CAN總線與整車其他系統(tǒng)進行通信實現(xiàn)信息共享。

系統(tǒng)已經(jīng)在BK 6121EV純電動公交客車上安裝?？梢杂行У毓芾黼妱榆囕v有限的能量，實現(xiàn)電動車輛效率最大化，估計電池組的剩余電量及車輛續(xù)駛里程、單體電池及成組電池的檢測與電池組溫度控制、電機及空調(diào)等耗能部件的功率分配等內(nèi)容；并解決了動車輛運營過程中的故障診斷、高壓安全、充電通訊接口、延長電池使用壽命、提高電動車可靠性等問題。

北方交通大學姜麗君等研制的電池管理系統(tǒng)為國家863計劃電動汽車重大專項子課題的研究成果。系統(tǒng)利用單片機對電池的充電及放電信息進行采集，所采集的信息包括實時的充放電電流、電壓、溫度?？偟暮蛦谓M電池的所有信息由單片機的管理軟件進行分析及總結(jié)以最合理、優(yōu)化的方式發(fā)現(xiàn)故障電池及電池組所需的充放電模式，從而決定用什么方式來充電和放電。決策的執(zhí)行是依靠一套功率四象限逆變器來自動完成的。該四象限逆變器可以正向充電也可反向?qū)㈦姵貎?nèi)電量逆變后饋送給電網(wǎng)。這樣電池能經(jīng)常把電荷放光，消除記憶，并“鍛煉”容量，以達到延長電池壽命的效果。

深圳雷天公司研發(fā)生產(chǎn)的大功率、高容量鋰動力電池在深海領域有廣泛的應用，被研究人員采用在旅游觀光潛艇及常規(guī)潛水艇上作推進器主動力的電池組動力能源。雷天公司為鋰動力電池研發(fā)的配套電池管理系統(tǒng)有如下特點：

● 電池管理系統(tǒng)由管理主機（CPU）、電壓與溫度采集模塊、電流采集模塊和通信接口模塊組成。

● 可檢測并顯示電池組的總電壓、總電流、儲備電量；任一單體電池的電壓和電池箱的溫度；最高和最低單體電池電壓及電池編號、最高和最低溫度、電池組的充放電量。

● 主機還提供報警和控制輸出接口，對過壓、欠壓、高溫、低溫、過流、短路等極限情況進行報警和控制輸出。

● 提供RS232和CAN總線接口，可在計算機上直接讀取電池管理系統(tǒng)上的所有信息。

該電池管理系統(tǒng)作為電池安全運用的有力保障，使得電池時刻處于安全和可控制的充放電使用過程中，大大提高了電池在實際使用過程中的循環(huán)使用壽命。電池管理系統(tǒng)如下圖所示：

三、本文研究內(nèi)容

本文針對水下機器人的動力源——鋰電池組提出一種鋰電池管理系統(tǒng)的設計方法。該鋰電池管理系統(tǒng)可直接檢測及管理儲能電池工作的全過程，包括電池充放電過程管理、電池溫度檢測、電池電壓電流檢測、電量估計、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個方面。

本文的主要內(nèi)容包括一下幾個部分：

第一章分析了鋰電池的工作原理，工作特性及充放電過程中應該注意的問題。

第二章分析了影響電池剩余容量的因素，在分析比較國內(nèi)外目前主要采用的幾種估計方法的基礎上，進一步研究了在本系統(tǒng)中采用的SOC估算方法，即開路電壓與電量累積相結(jié)合的方法。

第三章分析了鋰電池管理系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)，按功能模塊依次詳細分析了處理器，數(shù)據(jù)采集模塊，充電控制模塊，均衡模塊，數(shù)據(jù)顯示和串口通信的工作原理和電路實現(xiàn)。

第四章通過軟件框圖分析了電池管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，并對各個軟件實現(xiàn)單元做了詳細分析。

第五章電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試運行結(jié)果。

第六章對工作進行了總結(jié)，并對下一步重點研究的內(nèi)容做了展望。