鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn) ― 研究目的與意義

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)點，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(yīng)，體積小，重量輕及無公害等。

因此，從20世紀(jì)90年代開始，人們對它進(jìn)行了大量的研究和生產(chǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸取代了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池。鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，例如筆記本電腦、通訊電臺、便攜式電子設(shè)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(jìn)去造成永久性破壞。這樣必須采取限制充電電壓的方式來控制鋰離子溶出量的措施;

⑵鋰離子電池放電放到終點時，內(nèi)部物質(zhì)就會發(fā)生質(zhì)變，即負(fù)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(fù)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如果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(guān)鍵技術(shù)之一。

本系統(tǒng)通過對鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號的檢測和判斷，來實現(xiàn)對電池組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(jìn)行保護(hù)，并且采用模糊控制方法來實現(xiàn)對電池故障的診斷。

(1)信號檢測：包括電壓信號、電流信號和溫度信號的檢測。電壓信號包括對鋰離子電池組總電壓檢測和對各節(jié)電池的單體電壓檢測;對于電流信號的檢測，由于電池組是串聯(lián)的，因此只需要檢測總電流即可;另外需要檢測鋰離子電池組的溫度信號，依據(jù)電池類型設(shè)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(yīng)處理，并發(fā)出報警信息。

(2)保護(hù)電路：通過信號檢測電路實時采集鋰離子電池組的電壓、電流和溫度參數(shù)，根據(jù)參數(shù)值，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，從而實現(xiàn)對鋰離子電池組的過充、過放、短路以及均衡的保護(hù)。

(3)電池故障診斷：即依據(jù)所測單個電池溫度、電壓等參數(shù)采用模糊控制技術(shù)做出故障診斷處理。

(4)電量估計：即電池剩余電量的測量，依據(jù)所測電壓值估測鋰離子電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge，即SOC)。

從當(dāng)前的情況來看，本系統(tǒng)關(guān)鍵需要解決以下兩個問題：

(1)通過信號檢測電路采集到電壓、電流和溫度參數(shù)后，如何根據(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)則，即模糊控制故障診斷技術(shù)。

(2)鋰離子電池組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(shù)是本系統(tǒng)需要致力研究的另一項關(guān)鍵技術(shù)。

1.2系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及幾種常用方案

1.2.1系統(tǒng)的國外現(xiàn)狀在過去的20年里，國外對鋰離子電池組的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)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)，國外一些大的汽車生產(chǎn)商和電池生產(chǎn)商針對鋰離子電池做了大量的研究和實驗，成功研發(fā)了多種鋰離子電池組管理系統(tǒng)。例如：

⑴BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)。

德國的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff經(jīng)過大量的實驗，在1991年設(shè)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(jìn)行電壓測量(最多20個)，另外可以對電流和溫度進(jìn)行測量;

⑵電池單元可以控制充電機(jī)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在BADICHEQ系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，設(shè)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，并且將該電池組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(biāo)準(zhǔn)與PC機(jī)進(jìn)行通信;

⑶當(dāng)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(jìn)行過放保護(hù)并停止使用;⑷存貯最近24個充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù);⑸當(dāng)判斷電池好壞時，允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(shè)計的。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對不同型號電池組的管理，將不同型號電池組做成一個系統(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，通過增加選擇參數(shù)的辦法。

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生產(chǎn)的。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是電池組的可靠性非常高。

該系統(tǒng)由四部分組成：

電池模塊(用于汽車驅(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(hù)裝置(High Voltage Disconnect)。

軟件BPM主要完成以下工作：

單體電池電壓檢測、高壓保護(hù)功能、六路溫度采樣、電流采樣、電池組充電控制、過放保護(hù)以及電量估計等。