鋰電池組保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋰電池組保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0電池保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的鈉電池相比，電池重量輕、使用壽命長(zhǎng)、存儲(chǔ)能量高的特點(diǎn)。然而，與普通的閃存盤(pán)相比，電池電池的應(yīng)用也存在著安全低、充電一致性差等缺點(diǎn)，這嚴(yán)重影響了電池的普及和應(yīng)用。在電動(dòng)自行車、電動(dòng)高爾夫球車和電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用中仍然還是鉛酸電池、鎳氫電池占主導(dǎo)地位,鋰電池仍處于試用、摸索階段。為保證鋰電池的合理使用,必須給電池動(dòng)力模塊安裝電池保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),確保鋰電池電芯在合理的電壓范圍內(nèi)使用。超出電壓使用范圍,鋰電池電芯將很快損壞。本文將介紹針對(duì)磷酸鐵鋰電池動(dòng)力模塊在推廣應(yīng)用中存在的重要技術(shù)問(wèn)題的軟件解決方案:拋棄原有的用于手機(jī)、筆記本電腦的單電芯鋰電池保護(hù)技術(shù)方案,采用高速多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)設(shè)計(jì)全新的電池保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);使用動(dòng)力電池模塊動(dòng)態(tài)均衡方法,在對(duì)電池組模塊進(jìn)行統(tǒng)一充電的過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整模塊內(nèi)各電芯的充電電流,實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各串聯(lián)電芯的電壓均衡,提高電氣可靠性。1電池組管理系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)電池保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依賴于軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ?除了依賴于硬件的設(shè)計(jì)之外,功能完善的軟件設(shè)計(jì)也極其重要。根據(jù)鋰電池組保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)多通道數(shù)據(jù)采集的功能:采集電池組的電壓電流值,達(dá)到對(duì)電池組工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。(2)由采集的模塊數(shù)據(jù),確定電池的剩余電量(SOC),及時(shí)提醒用戶充電,提高電池的使用壽命。(3)電池模塊動(dòng)態(tài)均衡:在對(duì)電池組模塊進(jìn)行統(tǒng)一充電的過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整模塊內(nèi)各電芯的充電電流,實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各串聯(lián)電芯的電壓均衡。本系統(tǒng)基于磷酸鐵鋰電池的特性,綜合國(guó)內(nèi)外動(dòng)力模塊的保護(hù)和監(jiān)測(cè)方案,為國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車、電動(dòng)高爾夫球車、電動(dòng)汽車的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為動(dòng)力模塊的數(shù)據(jù)采集,軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)在SOC(剩余電量值)的計(jì)算以及模塊動(dòng)態(tài)均衡。2模擬輸入設(shè)備系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)檢測(cè)的方式采集電壓以及電流數(shù)據(jù),利用掃描方式快速完成電池各模塊電壓的數(shù)據(jù)采集及總電壓的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)硬件部分分時(shí)復(fù)用,以降低成本。系統(tǒng)采用MPC508A8通道單端模擬多路復(fù)用器,通過(guò)EPF10K10的操作選擇不同的模擬輸入信號(hào)。在每一路的電壓輸入端利用電阻分壓,使每一路的電壓輸出均在A/D的量程范圍內(nèi),輸出信號(hào)饋送給信號(hào)調(diào)節(jié)放大器,信號(hào)調(diào)節(jié)放大器將輸出信號(hào)饋送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖1)。A/D器件選用芯片ADS7835具有精度高(12位分辨率,最大±1LSB線性誤差)、速度快(10us轉(zhuǎn)換時(shí)間)、低功耗(正常工作20mA,掉電方式15uA)、低噪聲、使用靈活和體積小等優(yōu)點(diǎn)。3soc檢測(cè)模塊和子程序模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)磷酸鐵鋰電池動(dòng)力模塊剩余電量的計(jì)算具有非常重要的作用:鋰電池在放電過(guò)程中當(dāng)剩余電量低于60%時(shí),雖然仍可以使用,但鋰電池的溫度會(huì)急劇升高,對(duì)電池的損傷非常大,大大降低了鋰電池的使用壽命。因此,最好避免在剩余電量低于60%時(shí)繼續(xù)使用磷酸鐵鋰電池。計(jì)算SOC可以有效地保護(hù)電池,及時(shí)提醒用戶充電,提高電池的使用壽命。SOC計(jì)算的子程序是整個(gè)保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件核心。動(dòng)力模塊通過(guò)檢測(cè)模塊的輸出電壓來(lái)判斷電池的剩余容量,但是電池的輸出電壓在靜態(tài)與負(fù)載輸出時(shí)會(huì)有明顯的差異,在大電流負(fù)載輸出時(shí),輸出電壓要低于靜態(tài)時(shí)的電壓輸出,這就給剩余容量的計(jì)算造成了困難。在設(shè)計(jì)算法時(shí)需綜合考慮靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的差異。目前,國(guó)內(nèi)外常用的電池剩余電量算法為安時(shí)法、開(kāi)路電壓法和卡爾曼濾波法等,本系統(tǒng)是基于以上三種算法設(shè)計(jì)的。3.1電池管理系統(tǒng)外部循環(huán)和外部設(shè)置安時(shí)計(jì)量法(Ah)是最常用的SOC估計(jì)方法。安時(shí)法實(shí)際上是一種基于“黑箱”原理而設(shè)計(jì)的方法,把電池看作一個(gè)整體(“黑箱”),“黑箱”與其外部進(jìn)行能量的交換,通過(guò)對(duì)進(jìn)出“黑箱”的電流在時(shí)間上進(jìn)行積分,從而記錄“黑箱”能量的變化。由于只需要計(jì)量進(jìn)出電池的電能,不必考慮電池這個(gè)“黑箱”內(nèi)部狀態(tài)的變化和其它因素的影響,該方法簡(jiǎn)單易行。安時(shí)計(jì)量法在應(yīng)用中,若電流測(cè)量不準(zhǔn),將造成SOC計(jì)算誤差,長(zhǎng)期積累,誤差就會(huì)越來(lái)越大;要考慮電池充放電效率;在高溫狀態(tài)和電流波動(dòng)劇烈的情況下,誤差較大。3.2鉛酸電池開(kāi)口電壓開(kāi)路電壓法(OCV)是根據(jù)電池開(kāi)路電壓來(lái)判斷電池內(nèi)部荷電狀態(tài)的方法。對(duì)于某些電化學(xué)體系,如鋰離子電池和鉛酸電池,電池的荷電狀態(tài)與開(kāi)路電壓之間有一定的近似線性關(guān)系,因此可以通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓來(lái)預(yù)測(cè)電池和狀態(tài)的大小。開(kāi)路電壓法的顯著缺點(diǎn)是需要電池長(zhǎng)時(shí)靜置,以達(dá)到電壓穩(wěn)定,電池狀態(tài)從工作恢復(fù)到穩(wěn)定需要幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí),這給測(cè)量造成困難;開(kāi)路電壓法在充電初期和末期SOC估計(jì)效果好,常與Ah計(jì)量法結(jié)合使用。3.3電池非線性方程卡爾曼濾波理論的核心思想,是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)。應(yīng)用于電池SOC估計(jì),電池被看成動(dòng)力系統(tǒng),SOC是系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)。電池模型的一般數(shù)學(xué)形式為:狀態(tài)方程:xk+1=Akxk+Bkuk+wk=f(xk,uk)+wk(1)觀測(cè)方程:yk=ckxk+vk=g(xk,uk)+vk(2)式中:uk——系統(tǒng)的輸入向量,通常包含電池電流、溫度、剩余容量和內(nèi)阻等變量;xk——系統(tǒng)的狀態(tài)量;yk——系統(tǒng)的輸出,通常為電池的工作電壓,電池SOC包含在系統(tǒng)的狀態(tài)量xk中;f(xk,uk)、g(xk,uk)——都是由電池模型確定的非線性方程,在計(jì)算過(guò)程中要進(jìn)行線性化?？柭鼮V波法尤其適合于電流波動(dòng)比較劇烈的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池SOC的估計(jì),它不僅給出了SOC的估計(jì)值,還給出了SOC的估計(jì)誤差。3.4優(yōu)化參數(shù)估計(jì)方法通過(guò)衡量上述方法的優(yōu)缺點(diǎn),本系統(tǒng)選擇使用復(fù)合剩余電量預(yù)測(cè)法,即把安時(shí)法、開(kāi)路電壓法和卡爾曼濾波法3種方法結(jié)合起來(lái),如圖2所示。首先,由開(kāi)路電壓法測(cè)出電池的初始容量,然后用安時(shí)法和卡爾曼濾波法計(jì)算動(dòng)態(tài)的電池剩余容量,并比較兩種方法的結(jié)果,對(duì)電池的實(shí)際容量進(jìn)行校正,以達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的目的。由于動(dòng)力電池的剩余容量預(yù)測(cè)的主要難點(diǎn)在于電池的實(shí)際容量難以確定,單純采用安時(shí)法雖能準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)出電池的能量,但是無(wú)法確定電池充放電的原點(diǎn)。而開(kāi)路電壓測(cè)量法是利用電池的開(kāi)路電壓與電池的放電深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓來(lái)估計(jì)電池的初始剩余容量,但不能用于動(dòng)態(tài)的電池剩余容量估計(jì)。把卡爾曼濾波法用于估計(jì)動(dòng)力電池剩余容量,用輸入(電池的溫度、電流、溫度、剩余容量等)和輸出(工作電壓)對(duì)電池的狀態(tài)(包括SOC)能作出較為有效的估計(jì)。但是,該方法沒(méi)有考慮到動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)受電池老化等因素的影響,這種估計(jì)方法會(huì)有一定的誤差。故將以上3種方法結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的磷酸鐵鋰電池剩余電量的預(yù)測(cè)。4動(dòng)力模塊放電時(shí)電放不出均衡直接影響動(dòng)力模塊的使用壽命。例如在一個(gè)16串的鋰電池動(dòng)力模塊組中,充電時(shí)假如有一個(gè)電芯的電壓達(dá)到3.7V,為了保護(hù)該鋰電池電芯,必須停止充電,此時(shí)假如有不均衡現(xiàn)象存在,如一個(gè)電芯的電壓只有3.0V,該電芯雖然未充滿電,也不能再充了;該動(dòng)力模塊使用時(shí),由于有一個(gè)電芯只有3.0V,它將很快耗盡電能,電壓降到極限值以下,為了保護(hù)該鋰電池電芯,必須停止放電。這樣就導(dǎo)致動(dòng)力模塊充電時(shí)電充不進(jìn)去,放電時(shí)電放不出來(lái)的不良結(jié)果。鋰電池動(dòng)力模塊組的均衡問(wèn)題是一個(gè)世界性的難題,全世界都在研究如何采用方便可行的辦法實(shí)現(xiàn)鋰電池的均衡使用。本系統(tǒng)采用旁路電流動(dòng)態(tài)均衡的方法實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池動(dòng)力模塊的充電均衡,技術(shù)難點(diǎn)是建立動(dòng)態(tài)均衡的數(shù)學(xué)模型,研究控制算法。動(dòng)力電池組是由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成的電池模塊,由于動(dòng)力電池組中單個(gè)電池容量的不一致,通過(guò)若干次充放電循環(huán)后電池組會(huì)失衡,對(duì)系統(tǒng)中的每一組電池都配有這樣一個(gè)均衡模塊。本文通過(guò)對(duì)鋰電池的多種充電方法分析,系統(tǒng)采用分段恒壓和恒流的充電方式。但是,在鋰電池充電后期,為了保證電池安全性及其壽命,必須采用恒壓充電。以下是本系統(tǒng)采用的兩種智能充電算法的設(shè)計(jì)描述。4.1恒流態(tài)恒流態(tài)控制多段式智能優(yōu)化充電方法在充電過(guò)程可劃分為起始態(tài)、多段恒流態(tài)(此處為兩段恒流)、恒壓態(tài)等?？刂七^(guò)程及原理簡(jiǎn)單,充電初期速度快,充電效率高。充電過(guò)程控制理想曲線如圖3所示。4.2充電控制曲線采用三段式均衡充電方法時(shí),其充電過(guò)程可分為起始態(tài)、恒流態(tài)、恒壓態(tài)和均衡充電態(tài)。當(dāng)充電進(jìn)入均衡階段后,延遲一定時(shí)間,認(rèn)為電池已充滿,充電自動(dòng)結(jié)束。理想控制曲線如圖4所示。表1為電動(dòng)自行車、電動(dòng)高爾夫球車、純電動(dòng)汽車的電池電壓均衡指標(biāo)。5動(dòng)力模塊保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本文基于應(yīng)用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)高爾夫球車、電動(dòng)汽車的磷酸鐵鋰電池,分析其保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:(1)拋棄原有的用于手機(jī)、筆記本電腦的單電芯鋰電池保護(hù)技術(shù)方案,采用高速多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)設(shè)計(jì)全新的電池保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。(2)研究鋰電池動(dòng)力模塊的電壓限值控制曲線,實(shí)現(xiàn)電壓控制范圍的自適應(yīng)調(diào)節(jié);計(jì)算出鋰電池工作的電壓范圍限值以及合理的充電電流,提高系統(tǒng)的電氣可靠性。(3)采用專門的電池模塊動(dòng)態(tài)均衡方法,在對(duì)電池組模塊進(jìn)行統(tǒng)一充電的過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整模塊內(nèi)各電芯的充電電流,實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各串聯(lián)