动力锂电池组智能管理系统设计

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引言

锂电池由于具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及使用寿命长等优点,逐渐成为动力电池的主流。但是由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性,因此在应用时需要进行一定的管理。另外锂电池对充放电的要求很高,当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时,会使锂电池温度上升,严重破坏锂电池性能,导致电池寿命缩短。当锂电池串联使用于动力设备中时,由于各单节锂电池间内部特性的不一致,会导致各节锂电池充、放电的不一致。一节性能恶化时,整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制,降低整体电池组性能。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能,延长使用寿命,必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控,提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。

本文设计的动力锂电池组管理系统安装在锂电池组的内部,以单片机为控制核心,在实现对各节锂电池能量均衡的同时,还可以实现过充、过放、过流、温度保护及短路保护。通过LCD显示电池组的各种状态,并可以通过预留的通信端口读取各节锂电池的历史性能状态。

系统总体方案设计

动力锂电池智能管理系统主要由充电模块、数据采集模块(包括电压、电流、温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如图1所示。


图1 管理系统结构框图

整个系统以单片机为主控制器,通过采集电流信息,判断出电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象,并对其状态做出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后,系统决定是否启动均衡模块对整个电池组进行能量均衡,同时判断是否有过充或过放现象。温度的采集主要用于系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息都会通过液晶显示模块实时显示。下面对其各个模块的实现方法进行介绍。

微控制器 ATmega8

本系统采用的微控制器是美国ATMEL公司推出的一种高性能8位单片机ATmega8。该单片机具备AVR高档单片机系列的全部性能和特点,支持在线编程(ISP),只需要一条可自制的下载线就可以进行单片机系统的开发。其中ATmega8单片机有6路A/D转换通道,其中有4路为10位精度,在设计中可直接用于电池电压的测量。ATmega8的各项性能使其成为适应性强、灵活性高、成本低的嵌入式高效微控制器, 特别适合在开发阶段使用。

充电控制模块原理与实现

锂电池常规充电法是按预充、恒流、恒压三个阶段进行的,时序图如图2所示。


图2 常规充电法时序图

由于管理系统是随电池组一起放在电池箱内,且充电器是外置的,因此如果增加通信接口和外接充电器形成闭环控制,就会使该管理系统的通用性降低。为实现高通用性,使管理系统和外部的充电器单独工作,本电池管理系统采用间歇式充电法,如图3所示。

间歇式充电法是在预充和保持阶段通过间歇地打开和关闭充电回路,等效地改变充电电流的大小,进而实现在预充和保持状态时需要小电流、在正常充电时需要大电流的的性能要求。

在对带有管理系统的电池组进行充电时,需要外接与之匹配的恒压电源充电器,对其恒压值U的要求为:U=4.2V×N+损耗电压,其中N为电池节数。

限流值为该动力锂电池的常规充电电流0.3C(C为电池容量),在进行充电前必须先进行系统的初始化,然后按照间歇式充电法对电池组自动充电。

电压采样模块原理与实现 

锂离子电池在充电时要求其端电压控制在4.2V以下,为防止过充损坏电池,要求必须在充电时实时检测各单节锂电池电压。管理系统采用图4所示的电压采样检测方案。其工作原理是:首先把单刀双掷开关K1、K2向上打到电压测量档,并通过MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7),同步地将电容分别接到各单节电池两端,使电容充电至电容电压等于被测单节电池的电压;然后断开MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2,同时合上开关K3和K4接入A/D转换器进行测量。该方案可直接使用微处理器内的10位A/D转换器,不需要另外加入A/D芯片,节省了设计成本。实际电路中的模拟开关采用继电器实现。

均衡模块原理与设计

动力电池组是由多个单节电池串联组成的电池模块,由于电池个体之间内部特性的差异,若干次充、放电后,电池组会失衡,严重影响动力电池组的效率与安全。另外,电池组在充放电过程中的过充电、过放电、电流过大、温度过高等现象会加剧电池间特性的差异,从而引起单节锂电池之间容量、电压等性能的不平衡,最终导致电池组整体特性的急剧衰退和部分电池的加速损坏。因此在锂电池组合使用时必须要解决各个单节电池在电池组中的平衡问题。

电池组中各节电池电量的均衡可采用电阻均衡、电容均衡、变压器均衡等多种方案。由于本管理系统是针对大容量的动力锂电池组,若采用电阻均衡,均衡速度快但将会有过多的能量白白浪费掉;电容均衡虽然不额外耗能,但是均衡电流一般较小,很难胜任动力锂电池之间的均衡。故本均衡模块采用兼顾效率和速度的变压器均衡方案。在具体设计中直接采用DC/DC开关电源模块。由于开关电源模块具有功耗小、效率高、体积小、质量轻等优点,将其直接作为均衡模块使用是一个很好的选择。在具体使用时,根据检测到的各单节电池的电压值判断是否需要对电池组进行能量均衡。若需要,闭合均衡总开关K5,开关K1、K2向下打到均衡档,用电池组的整体能量对电压最低节电池进行额外的均衡充电,直到各节电池电压值的差别在系统要求范围之内。原理图如图4所示。


图4 电压采样、均衡充电原理图

电流采样的实现

电流是电池容量估计的关键参数,因此对电流采样的精度、抗干扰能力和线性度误差的要求都很高。在本设计中采用LEM公司的闭环电流传感器LTSR25-NP,如图5所示,


图5 LTSR25-NP实物图

该元件具有出色的精度、良好的线性度和最佳的反应时间。其额定电流为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换为0V~5V的电压信号,送至单片机的10位A/D转换器进行转换后可测得充放电电流,测量精度为0.2A。其工作特性曲线如图6所示。


图6 电流传感器LTSR25-NP 工作特性曲线

图中以VREF为参考点电压,默认为2.5V,IP为被测量电流。

温度采样的实现

电池管理系统中的温度检测采用的是美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20。它是单片结构,无需外加A/D转换器即可输出9~12位的数字量。通信采用单总线协议,对DS18B20的各种操作通过一条数据线即可完成。因为每个DS18B20都含有唯一的序列码,使每条总线上可同时连接多个DS18B20,这就使得DS18B20连线简单,系统设计灵活,适合用于多点测温系统,特别是与单片机合用构成的温度检测与控制系统。

显示模块的实现

LCD显示选用DM12864M汉字图形点阵液晶显示模块。该模块可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM。主要技术参数和显示特性如下:
电源VDD:3.3V~5V(内置升压电路,无需负压);

显示内容:128列×64行;

LCD类型:STN;

与MCU的接口:8位或4位并行/3位串行;

多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

本系统使用串行接口,通过液晶模块可显示电池组总电压、各单节电池电压、充放电电流、充放电时间、工作温度以及剩余电量等。

数据存储通信模块的实现

锂电池管理系统在锂电池充放电过程中把充放电信息,包括各节电池的电压、充放电电流、工作温度、电池电量等通过采样实时写入Flash存储芯片SST25VF020中保存。在需要时,可通过串口与上位PC机通信把存储在Flash中的历史数据读到PC上。

SST25VF020是SST25VF系列Flash存储芯片。其芯片具有以下特点:总容量为2M;单电源读和写操作,工作电压为2.7V~3.3V;低功耗,工作电流为7mA,等待电流为3μA;时钟频率高达33MHz;数据可保存100年;其封装为SOIC和小尺寸的WSON封装。实际应用电路如图7所示。


图7  FLASH存储器电路原理图

软件设计

该系统的软件设计采用单片机C语言完成,主要包括单体电压测量程序、电流检测程序、温度检测程序、能量均衡程序、充电管理程序、LCD显示程序及数据存储通信程序等几个程序模块。其主流程图如图8所示。


图8 主流程图

电压测量程序

通过单片机的10位A/D转换模块测量单节电池的电压值。为了提高测量的精度,软件采用“筛值平均”的软件滤波方法。在对每节电池的模拟量进行测量时,连续测量多次,然后筛去最高值和最低值,再对剩余的测量值取平均值,以获得最佳的测量结果。然后根据电压的计算方式,获得电池的电压。在电压测量完成后,运行“冒泡排序”的程序,对所有的电池电压进行排序,标记出最低、最高电池,为均衡模块服务。

充电管理程序

通过检测到的单节电池电压判断电池所处的充电阶段,并利用单片机的脉宽调制输出(PWM)来控制MOSFET以实现预充阶段的小电流充电和保持充电阶段的脉冲充电。当检测到电池充电完毕后,自动断开充电回路。充电管理模块通过检测到的电压、电流、温度值判断电池是否工作在正常状态,如出现过压、过流或温度过高等现象,立刻通过MOSFET关闭充放电回路,并点亮故障提示灯。

结语

本设计为动力锂电池组提供了智能管理系统,通过该系统为电池组提供了各种保护及能量均衡控制,最大限度地发挥了锂电池组的整体性能。开发出的样机通过在7节50AH串联雷天锂电池组上试验,实现最大均衡电流为2.5A,均衡效率为80%左右,性能完全满足动力锂电池组能量均衡的要求,具有很好的应用前景和推广价值。

参考文献

1. 马潮,詹卫前,耿德根. ATmega8原理及应用手册. 北京: 清华大学出版社,2002

2. 王羲悦. 动力锂电池期待驱动未来. 新材料产业 NO.8 2007

3. 林枫,王月忠. 智能化锉离子电池管理系统的设计与实现. 《微计算机信息》(测控自动化)2005年第21卷第3期

4. 李慧琪. 基于CAN总线的锂离子动力电池组管理系统. 机电工程技术,2007年第36卷第01期

5. 何华,吴桔生.  一种改善锂电池充放电的方法. 福建师范大学福清分校学报. 2006年第2期

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