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：

　?、配囯x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;

　?、其囯x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;

　?、侨绻簧魇闺姵囟搪坊蛘叱浞烹婋娏鬟^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：

　?、哦鄠€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;

　?、齐姵貑卧梢钥刂瞥潆姍C的充電電流;

　?、强梢詢Υ鏆v史數(shù)據(jù);

　?、瓤梢詫崿F(xiàn)單體電池的均衡充電;

　?、删哂袃x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;

　?、士梢耘cPC機進(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：

　?、琶總€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機進(jìn)行通信;

　?、钱?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)。

　?、艬ATTMAN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。

　　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)的主要功能有：

　　● 過充保護(hù);

　　● 當(dāng)放電反向時，發(fā)出報警信號;

　　● 能夠記錄歷史信息;

　　● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

　?、葿atOpt系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)是由美國AC Propulsion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(yīng)的控制命令，這樣就構(gòu)成了一個分布式系統(tǒng)。

　　1.2.2系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀

　　相對于國外來說，國內(nèi)的鋰離子電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是由高校與一些汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商聯(lián)合起來共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)勢，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。

　?、臙V-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(xué)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)，同時提供了過充、過放保護(hù)，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)。

　?、仆瑵?jì)大學(xué)研發(fā)的鋰離子電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是同濟(jì)大學(xué)與北京星恒電池有限公司合作研發(fā)的。該系統(tǒng)的主要功能有：電壓、電流和溫度的精確采集，電池電量估計，均衡保護(hù)，事故處理與記錄等。

　?、潜本├砉ご髮W(xué)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)采用單片機作為微處理器，具有以下功能：

　　可以實時檢測電池電量、電池組總電壓、總電流和各單體電池電壓以及電池組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(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)送入PC機，在PC機中進(jìn)行標(biāo)定后，再通過CAN總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)信息共享。

　　系統(tǒng)已經(jīng)投入安裝使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)大大延長了電池組的壽命，提高了電動車的運行效率，當(dāng)故障產(chǎn)生后能夠及時發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，同時能夠精確的估計電池組的剩余電量，提高了電動車的可靠性。

　　1.2.3鋰離子電池保護(hù)的常用方案

　　從前面的介紹中，我們可以看到，在鋰離子電池組的使用過程中，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，鋰離子電池組的保護(hù)電路是非常重要的。

　　鋰離子電池組保護(hù)電路首先應(yīng)當(dāng)具有對鋰離子電池組的過充保護(hù)、過放保護(hù)、均衡保護(hù)功能。另外，其保護(hù)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(hù)電路是在電池工況出現(xiàn)異常的情況下工作，因此保護(hù)電路消耗的電流要盡量小，實現(xiàn)降低損耗的目的。

　?、茩z測精度要高。過充電檢測要求電路的精度高，如果檢測精度不高，就不能保證電池容量的充分使用。

　　⑶工作電壓低。

　　保護(hù)電路對鋰離子電池進(jìn)行保護(hù)時，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當(dāng)電池放電時，電壓就會進(jìn)一步降低，因此，保護(hù)電路應(yīng)該能在低電壓下工作。

　　針對上述提出的應(yīng)當(dāng)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方法主要有兩種：

　?、挪捎脤Ｓ眯酒匿囯姵毓芾硐到y(tǒng)。在常見的便攜式設(shè)備中，通常使用容量較小的鋰電池。首先，考慮的便攜式設(shè)備的需求，通常要求系統(tǒng)的保護(hù)電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對較小，不需要過度考慮系統(tǒng)的均衡及保護(hù)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(hù)功能。

　　⑵基于監(jiān)測的鋰電池管理系統(tǒng)。在大容量的鋰電池應(yīng)用系統(tǒng)中，專用的鋰電池管理芯片已不能滿足需要，需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組的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)送入微控制器進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來判斷電池組中各個電池的工作狀態(tài)好壞，依據(jù)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，對鋰電池組進(jìn)行智能化管理保護(hù)，從而實現(xiàn)對鋰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)鋰離子電池組進(jìn)行均衡保護(hù)設(shè)計的，而專用芯片最多只能實現(xiàn)對13節(jié)電池的保護(hù)，因此，如果采用專用芯片保護(hù)，那么至少需要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，鋰電池組的電池個數(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)的方案，微控制器選用低功耗的MSP430單片機。

　　1.3課題意義及主要研究內(nèi)容

　　1.3.1本文的意義

　　鋰電池是20世紀(jì)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應(yīng)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(shè)備均已使用鋰離子電池作為電源。

　　當(dāng)前，世界電池工業(yè)技術(shù)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需要。二、一次電池向二次電池轉(zhuǎn)化。正如鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了可重復(fù)使用的鋰離子電池，在無汞錳電池的基礎(chǔ)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，更加注重電池的便攜性。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(dāng)前世界電池技術(shù)的發(fā)展趨勢。據(jù)權(quán)威部門預(yù)測，我國鋰電池總產(chǎn)值將挑戰(zhàn)100億美元，據(jù)IIT等研究機構(gòu)推測，我國鋰電池行業(yè)的年增長率將超過20%，2016年電池總體需求量將達(dá)到50億塊左右。可見，在當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時間，鋰電池將稱為我國電池工業(yè)的龍頭。由此可見，研究鋰電池的管理系統(tǒng)顯得尤為重要，是鋰電池進(jìn)一步推廣的一個關(guān)鍵因素之一。

　　1.3.2本文的主要研究內(nèi)容

　　本文是針對民用電動車上的鋰離子電池組的監(jiān)控管理而設(shè)計的。本系統(tǒng)的主要功能包括鋰離子電池的充放電保護(hù)、單體電池的均衡保護(hù)、電池故障診斷以及上位機對電池組的實時監(jiān)控等幾個方面。

　　本文的主要內(nèi)容分為以下幾個部分：

　　第一章、研究目的與意義。簡要介紹鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)及其保護(hù)電路的現(xiàn)狀和當(dāng)前的保護(hù)方案。

　　第二章、鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。分析電池特性、電量管理、及鋰離子電池的采取均衡措施的原因及常用方法。

　　第三章、系統(tǒng)硬件設(shè)計。詳細(xì)介紹了本文設(shè)計的鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體方案，并詳細(xì)介紹了各模塊的硬件電路設(shè)計。

　　第四章、單片機軟件設(shè)計。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的下位機軟件設(shè)計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計方法。

　　第五章、上位機程序設(shè)計。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計方法。

　　第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)對電池故障的診斷。

　　第七章、系統(tǒng)測試結(jié)果及結(jié)論。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，重點是對保護(hù)電路、采集精度的測試。

　　本文研究了當(dāng)前國內(nèi)外鋰電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計。在完成系統(tǒng)設(shè)計過程中，重點解決了電池均衡和充放電保護(hù)問題。通過軟硬件測試，該管理系統(tǒng)均衡及保護(hù)電路簡捷、靈敏、可靠。通過實驗測試，該系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、反應(yīng)靈敏、操作簡便等優(yōu)點。