水下锂电池管理系统研究

郝敏钗 程俊红/石家庄职业技术学院电气电子工程系

水下锂电池管理系统研究

郝敏钗 程俊红/石家庄职业技术学院电气电子工程系

【摘 要】锂电池的在各个领域的应用也越来越广泛。目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镍镉蓄电池，成为动力电池的主流。由于锂电池内部化学反应的复杂性，人们在不断提高电池本身性能的同时，也在不断的研究和发展电池的使用和管理技术来充分发挥电池的性能和提高电池效率及使用寿命。因此，电池的应用、监控和管理已经成为了水下设备发展中的不可缺少的关键技术之一，本文主要对锂电池整个系统的管理进行研究。

【关键词】锂电池；电压；电流；充电设计

一、引言

电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能：准确估测动力电池组的荷电状态，即电池剩余电量，保证剩余电量维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。动态监测动力电池组的工作状态：在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

本文采用CAN 总线通信及数据传输、I2C 总线测量温度、新的剩余电量估计算法等；系统结构也实现了分布式、模块化；人机交互界面上也做到了人性化，进一步提高了实用性。本文研究的锂电池管理系统为两级控制结构：中央处理模块和本地测量模块。其中，中央处理模块的任务是通过RS232 与上位机进行通信和通过 CAN 总线网络与本地测量模块通信；而本地测量模块的任务包括充放电控制、单体电池均衡、数据采集（包括电压，电流，温度的采集）、电量计算和通过CAN总线与中央处理模块通信。

二、锂电池硬件管理系统设计方案

电池管理系统应用于水下设备和混合电动车，在设计力争使系统结构先进、合理、可扩展；系统功能上要完备；各种参数测量精度高、可靠性高等。该系统实现的功能如下：（1）

能够对电池信息实时采集，包括单电池电压、电池组总电压、温度和充放电电流；（2）通过一定的算法对剩余电量估计及显示；（3）提供数据传送的接口。

在整个系统中本地测量模块负责电池组的充电，它主要由充电模块、均衡模块、数据采集模块（包括电压，电流，温度数据采集）和电量计算模块组成。各模块独立工作，由中央处理器控制，通过CAN总线与中央处理模块进行通信。中央处理模块是一台上位机，通过它监测每个电池组的状态，与本地测量模块进行通信。本地测量模块的主要功能如下：（1）充电模块：该模块在初始化阶段对自身进行初始化和自检，以确定自身是否工作正常，同时检测当前条件是否符合充电要求。（2）均衡模块：主要由开关电源实现，接受数据采集模块传来的电压信号，在适当的时候开启充电装置，使电池组内电池更加均匀和一致。（3）数据采集模块：负责采集电池的各种状态参数，如电流、电压、温度。（4）电量计算模块：分析采集过来的状态参数，根据研究试验得出的电量估测算法，对电池的当前电量进行估测。（5）CAN总线通信模块：负责在CAN 总线上收发数据。

三、锂电池管理系统本地测量模块各单元设计

该系统的总体设计中MCU使用凌阳 SPCE061A 型单片机，数据采集模块包括电压采集、电流采集和温度采集模块。

1. 电压模块

为了克服多电压控制的难度，本文采用的电压监测方案。其工作原理是：首先，MCU 控制的多路开关n1K?、n2K?（n= 1,2,3,4,5,6,7），同步地将电容分别接到各单元电池两端，使电容充电，使电容电压等于被测单元电池的电压；然后 MCU控制多路开关n1K?、n2K?断开，同时合上开关 K1 和 K2 接入单片机的 A/D 进行测量。在测量时，为了避免因电池端电压不稳定对测量结果的影响，会采取多次测量取平均值的方法。此方案可直接使用微处理器内部 A/D，不需要另外单独加入A/D，节省了设计成本。在实际电路中模拟开关采用继电器实现。

2.电流采集模块

本文采用LEM 公司的电流传感器 LTSR25-NP 测量充放电过程中的实时电流。该元件是基于霍尔效应的闭环（带补偿的）多量程电流传感器，采用单极性电压供电，具有出色的精度、良好的线性度、无插入损耗、最佳的反应时间和电流过载能力。25℃下的测量精度可达±0.2%。额定电流为25A，最高可测80A的电流，满足系统设计的要求。该电流传感器可把充放电电流转为0-5V的电压信号，送至单片机的A/D 转换可测得充放电电流。

3.温度采集模块的设计

温度采集模块本文的温度采集模块使用的是美国Dallas半导体公司研制的一款可编程智能数字温度传感器DS620。它将A/D转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中，可以直接输出数字信号。与单片机的接口电路也很简单，具有控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强等特点，非常适用于微型、低功耗的温度测量系统。DS620 数字温度传感器与恒温器提供低电压（1.7～3.5V）温度测量，在 0℃到+70℃温度范围内精度为±0.5℃，器件的工作温度范围是-55℃至+125℃。在分布式传感应用中，可实现多点连接，允许多达 8 个 DS620工作于一条总线。

4.均衡模块的电路设计

在对串联连接的蓄电池组进行充电时，由于电池组中各基本单元的电化学特性存在差异，当一些单元电池被充满电时，而另一些单元电池尚需继续充电，这使得被充满电的单元发生过充电现象。过充电，对蓄电池产生非常不利的影响。相反，那些长期充电不足的蓄电池，会使蓄电池容量下降，内阻增加，造成蓄电池的早期损坏。因此，被广泛使用的一种方法就是定期为电池进行均衡充电，使各个电池都达到均衡一致的状态。目前对电池组进行均衡管理的算法，主要有能量耗散型和非能量耗散型两种。

5.充电模块的设计

普通充电方法将蓄电池的充电过程划分为三个阶段：预充、恒流和恒压，控制过程及原理简单，充电初期速度快，充电效率高。但该算法功率消耗引发的热量是很大的。为克服这个弊端，本文采取的是将预充和恒压充电改为间歇充电，而恒流充电则借助于充电电源适配器的限流控制

系统的整体设计方面，本文只研究了1 个中央处理模块和 1个本地控制模块组成的两级控制系统，大大提高了利用效率，方便了数据的采集和监控。

参考文献：

[1]郑杭波.新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现［D］.清华大学,2004（06）.

[2]林成涛,王军平,陈全世. 电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].电池,2004 (05).

项目编号：15210918 基于模糊控制的水下动力电池管理系统研究。

基金项目：河北省科技厅科技支撑项目。