鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 研究目的與意義

一、鋰電池管理系統(tǒng)概述

二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，鋰電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進(jìn)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)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(chǔ)存壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，體積小，重量輕及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，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。近年來(lái)，鋰電池也被研究人員用在水下機(jī)器人和電動(dòng)汽車上作為動(dòng)力能源，鋰電池的管理和應(yīng)用成為水下機(jī)器人和電動(dòng)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(cè)及管理儲(chǔ)能電池工作的全過(guò)程，包括電池充放電過(guò)程管理、電池溫度檢測(cè)、電池電壓電流檢測(cè)、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個(gè)方面：

（1）電池充放電過(guò)程管理：即實(shí)時(shí)監(jiān)控電池充放電時(shí)的溫度、電壓、電流等參數(shù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)做斷開(kāi)充電電路，發(fā)出報(bào)警信息等相應(yīng)處理。

（2）電池溫度檢測(cè)：即對(duì)電動(dòng)車蓄電池單個(gè)電池進(jìn)行溫度檢測(cè)，依據(jù)電池類型設(shè)定該型號(hào)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(shí)做相應(yīng)處理，并發(fā)出報(bào)警信息，提示問(wèn)題電池的位置。

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

（4）電量估計(jì)：即電池剩余電量的測(cè)量，依據(jù)所測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)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(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。

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

目前，電池管理的難點(diǎn)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(xué)模型，即儲(chǔ)能電池的SOC狀態(tài)計(jì)量技術(shù)。

（2）儲(chǔ)能電池的快速充電技術(shù)及均衡充電技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是目前世界正在致力研究與開(kāi)發(fā)的另一項(xiàng)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(guó)外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著近十年來(lái)電動(dòng)汽車研究和使用的不斷升溫，國(guó)外一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商針對(duì)各種電池作了大量研究及試驗(yàn)，總結(jié)出電池的數(shù)學(xué)模型，并成功開(kāi)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(guó)Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff為首設(shè)計(jì)的BADICHEQ系統(tǒng)及BADICOaCH系統(tǒng)；德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)；美國(guó)通用汽車公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車EV1上的電池管理系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironment公司開(kāi)發(fā)的SmartGuard系統(tǒng)（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美國(guó)AC Propulsion公司開(kāi)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(kāi)始設(shè)計(jì)的，并于1991年12月首次裝車實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和修改，于1992年4月達(dá)到如下功能：

● 能同時(shí)對(duì)20個(gè)電池單元進(jìn)行電壓測(cè)量；

● 能進(jìn)行電流和溫度測(cè)量；

● 能根據(jù)電池單元對(duì)主充電機(jī)的充電電流進(jìn)行控制；

● 能用一個(gè)小的充電機(jī)對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行均衡充電；

● 能儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)和與PC機(jī)進(jìn)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(shí)際電池電量以及各種異常報(bào)警。

BADICOaCH是BADICHEQ系統(tǒng)的改進(jìn)，它有以下特點(diǎn)：

● 它的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是在每個(gè)電池單元上加一個(gè)非線性電路（WLC）來(lái)測(cè)量電壓，并將一個(gè)電池組的八個(gè)單元電壓都通過(guò)一條信號(hào)線傳遞給BADICOaCH系統(tǒng)，并在那里解碼；

● 裝有兩條PWM信號(hào)輸出線來(lái)控制充電電流和電壓的大小；

● 最差電池單元的剩余電量被顯示出來(lái)；

● 給最差電池單元以過(guò)放保護(hù)，給出停止使用信號(hào)；

● 對(duì)最近24個(gè)充放電周期的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯并允許在對(duì)電池好壞作判斷時(shí)進(jìn)行快速查找電池基本信息和錯(cuò)誤使用情況；

● 與PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。

2、BATTMAN系統(tǒng)德國(guó)的B.Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN電池管理系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)了將所有的不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理。之所以要這樣做，是根據(jù)對(duì)不同型號(hào)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(rèn)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(yùn)行和數(shù)據(jù)的記錄；

● 溫度的測(cè)量。

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

EV1的電池管理系統(tǒng)概念定義包括四個(gè)組成部分：

● 電池模塊（用于汽車驅(qū)動(dòng)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）。

可見(jiàn)，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(cè)；

● 電池組電流分流采樣；

● 電池組高壓保護(hù)（保險(xiǎn)絲）；

● 六個(gè)熱敏電阻進(jìn)行溫度采樣；

● 以電池組的平均特性控制充電；

● 過(guò)放電報(bào)警并降低電動(dòng)汽車行駛性能；

● 電量或里程計(jì)算；

● 高壓回流繼電器（High Voltage Bus Relays）。

總的說(shuō)來(lái)，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(diǎn)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(hù)裝置；

● 手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)；

● 地線絕緣失效檢測(cè)；

● 自動(dòng)開(kāi)關(guān)與手動(dòng)開(kāi)關(guān)連鎖。

4、SmartGuard系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在電池上裝有一個(gè)分布式的管理裝置（用了專用IC）來(lái)測(cè)量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號(hào)來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。

SmartGuard的主要功能有：

● 過(guò)充檢測(cè)并防止過(guò)充；

● 提供放電極性反向報(bào)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(gè)電池上的監(jiān)控模塊和中心控制單元組成一個(gè)分布式系統(tǒng)。通過(guò)two_wire總線，監(jiān)控模塊向主控單元報(bào)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(dòng)和自動(dòng)充電策略，它有如下特點(diǎn)：

● 每個(gè)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(lǐng)域的電池管理系統(tǒng)隨著鋰電池在潛水艇、水下機(jī)器人等深海領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些科研機(jī)構(gòu)和電池供應(yīng)商成功開(kāi)發(fā)出適合在深海領(lǐng)域應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。比如Bruce M.Howe等為MARS海洋觀測(cè)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(jí)控制單元報(bào)告電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)需要更換電池時(shí)便通知上級(jí)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(guò)這些數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

● 溫度保護(hù)功能，只有在0 ~ 45 o o C C才可進(jìn)行充電；

● 過(guò)流保護(hù)功能，充電電流低于0.7C（C為電池容量）；

● 短路保護(hù)功能；。電池組高壓保護(hù)（保險(xiǎn)絲）；

● 過(guò)充保護(hù)功能，單體電池電壓超過(guò)4.3V時(shí)停止充電；

● 過(guò)放保護(hù)功能，單體電池電壓低于3.2V時(shí)停止放電；

Phoenix公司為海軍的無(wú)人水下機(jī)器人研制的鋰電池管理系統(tǒng)采用三級(jí)分布式設(shè)計(jì)，按單體電池、電池模塊和電池組三個(gè)等級(jí)進(jìn)行管理。每個(gè)單體電池上都有最低級(jí)別的控制單元，對(duì)單體電池進(jìn)行充放電保護(hù)。電池模塊可按電壓或電流的需要通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成電池組。

三級(jí)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)時(shí)讀取每節(jié)電池的工作數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制每節(jié)電池和電池組的工作。

該電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

● 短路和過(guò)載保護(hù)功能；

● 過(guò)充和過(guò)放保護(hù)功能；

● 故障后1秒內(nèi)自動(dòng)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(shí)時(shí)報(bào)告功能；

● 過(guò)溫保護(hù)功能，單節(jié)電池超過(guò)135 ℃自動(dòng)關(guān)斷；

電池管理系統(tǒng)如下圖所示：

國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)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(shì)，聯(lián)合一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商共同開(kāi)展研究，如清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等等，都取得了豐碩的成果：清華大學(xué)為EV-6580輕型電動(dòng)客車配套的電池管理系統(tǒng)。在行駛過(guò)程中可對(duì)電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，防止過(guò)充電、過(guò)放電，提高了電池壽命和效率，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

同濟(jì)大學(xué)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(jì)，自動(dòng)均衡，事故處理與記錄等。

北京航空航天大學(xué)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(jì)，運(yùn)行狀態(tài)判斷和保護(hù)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(jì)，自動(dòng)均衡，電池故障診斷和安全保護(hù)。

北京理工大學(xué)王建群等為純電動(dòng)汽車研制的電池管理系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的各種運(yùn)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(jìn)行故障診斷和報(bào)警，同時(shí)具有熱管理功能等；

系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)PC進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)CAN總線與整車其他系統(tǒng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)信息共享。

系統(tǒng)已經(jīng)在BK 6121EV純電動(dòng)公交客車上安裝。可以有效地管理電動(dòng)車輛有限的能量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車輛效率最大化，估計(jì)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(cè)與電池組溫度控制、電機(jī)及空調(diào)等耗能部件的功率分配等內(nèi)容；并解決了動(dòng)車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的故障診斷、高壓安全、充電通訊接口、延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電動(dòng)車可靠性等問(wèn)題。

北方交通大學(xué)姜麗君等研制的電池管理系統(tǒng)為國(guó)家863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)子課題的研究成果。系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)電池的充電及放電信息進(jìn)行采集，所采集的信息包括實(shí)時(shí)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(jī)的管理軟件進(jìn)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(lái)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(lái)自動(dòng)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(dá)到延長(zhǎng)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(dòng)力電池在深海領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(jìn)器主動(dòng)力的電池組動(dòng)力能源。雷天公司為鋰動(dòng)力電池研發(fā)的配套電池管理系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

● 電池管理系統(tǒng)由管理主機(jī)（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(cè)并顯示電池組的總電壓、總電流、儲(chǔ)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(hào)、最高和最低溫度、電池組的充放電量。

● 主機(jī)還提供報(bào)警和控制輸出接口，對(duì)過(guò)壓、欠壓、高溫、低溫、過(guò)流、短路等極限情況進(jìn)行報(bào)警和控制輸出。

● 提供RS232和CAN總線接口，可在計(jì)算機(jī)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(yùn)用的有力保障，使得電池時(shí)刻處于安全和可控制的充放電使用過(guò)程中，大大提高了電池在實(shí)際使用過(guò)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?jī)?nèi)容

本文針對(duì)水下機(jī)器人的動(dòng)力源——鋰電池組提出一種鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該鋰電池管理系統(tǒng)可直接檢測(cè)及管理儲(chǔ)能電池工作的全過(guò)程，包括電池充放電過(guò)程管理、電池溫度檢測(cè)、電池電壓電流檢測(cè)、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個(gè)方面。

本文的主要內(nèi)容包括一下幾個(gè)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(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

第二章分析了影響電池剩余容量的因素，在分析比較國(guó)內(nèi)外目前主要采用的幾種估計(jì)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了在本系統(tǒng)中采用的SOC估算方法，即開(kāi)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(shí)現(xiàn)，按功能模塊依次詳細(xì)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(shí)現(xiàn)。

第四章通過(guò)軟件框圖分析了電池管理系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)各個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)單元做了詳細(xì)分析。

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

第六章對(duì)工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容做了展望。