锂离子电池组监控系统研究与实现 — 研究目的与意义

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1 锂离子电池监控系统概述
          锂离子电池是一种新能源，它具有很多优点，例如：放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，无记忆效应，体积小，重量轻及无公害等。
       
        因此，从20世纪90年代开始，人们对它进行了大量的研究和生产，现在已经逐渐取代了铅酸蓄电池、镍镉蓄电池。锂离子电池的应用领域也非常广泛，例如笔记本电脑、通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动自行车以及电动汽车等装置中都采用它作为其动力能源。
       
        但是，在使用时，锂离子电池也有其自身的缺点：
          ⑴锂离子电池在充电时，正极中的锂离子溶出太多回不到原来的状态，致使电池放电时锂离子不能填充到正极的通道。表现为电池充电充不进去造成永久性破坏。这样必须采取限制充电电压的方式来控制锂离子溶出量的措施；
          ⑵锂离子电池放电放到终点时，内部物质就会发生质变，即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落，下次充电时，没有锂离子的负极石墨层就不能保证回路通畅，所以要采取措施控制放电电压的大小；
          ⑶如果不慎使电池短路或者充放电电流过大，会使电池内部温度过高而耗损能量，这样会缩短放电时间。
       
        因此，锂离子电池的监控管理成为推动锂离子电池发展的关键技术之一。
       
        本系统通过对锂离子电池组的电压、电流和温度信号的检测和判断，来实现对电池组充放电过程中所出现的过充、过放、短路以及均衡现象进行保护，并且采用模糊控制方法来实现对电池故障的诊断。
       
        （1）信号检测：包括电压信号、电流信号和温度信号的检测。电压信号包括对锂离子电池组总电压检测和对各节电池的单体电压检测；对于电流信号的检测，由于电池组是串联的，因此只需要检测总电流即可；另外需要检测锂离子电池组的温度信号，依据电池类型设定该型号电池安全温度参数范围，在发现温度不在安全范围时做相应处理，并发出报警信息。
       
        （2）保护电路：通过信号检测电路实时采集锂离子电池组的电压、电流和温度参数，根据参数值，及时发现异常情况，从而实现对锂离子电池组的过充、过放、短路以及均衡的保护。
       
        （3）电池故障诊断：即依据所测单个电池温度、电压等参数采用模糊控制技术做出故障诊断处理。
       
        （4）电量估计：即电池剩余电量的测量，依据所测电压值估测锂离子电池组的荷电状态（State of Charge，即SOC）。
       
        从当前的情况来看，本系统关键需要解决以下两个问题：
          （1）通过信号检测电路采集到电压、电流和温度参数后，如何根据这些参数和充放电过程中的一些历史数据，建立故障诊断的模糊控制规则，即模糊控制故障诊断技术。
       
        （2）锂离子电池组在充放电的过程中容易出现单体电池间不均衡现象，这种情况会大大影响锂离子电池的使用寿命，因此均衡充电技术是本系统需要致力研究的另一项关键技术。
       
        1.2系统的国内外现状及几种常用方案
          1.2.1系统的国外现状在过去的20年里，国外对锂离子电池组的监控管理系统进行了广泛和深入的研究。这些研究都是为了确保锂离子电池能够正常稳定的工作。尤其是在近十几年里，随着电动汽车的出现，国外一些大的汽车生产商和电池生产商针对锂离子电池做了大量的研究和实验，成功研发了多种锂离子电池组管理系统。例如：
          ⑴BADICHEQ系统及BADICOaCH系统。
       
        德国的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff经过大量的实验，在1991年设计了BADICHEQ系统，该系统具有以下几个功能：
          ⑴多个电池能够同时进行电压测量（最多20个），另外可以对电流和温度进行测量；
          ⑵电池单元可以控制充电机的充电电流；
          ⑶可以储存历史数据；
          ⑷可以实现单体电池的均衡充电；
          ⑸具有仪表盘显示功能，可以显示电池单元的剩余电量以及各种异常报警；
          ⑹可以与PC机进行数据通信。
       
        在BADICHEQ系统的基础上进行了一些改进，设计出BADICOaCH系统，该系统具有以下功能：
          ⑴每个电池单元都加有非线性电路，通过该电路完成对单体电池电压的测量，并且将该电池组所有电池的电压值由一根信号线送入该系统解码；
          ⑵采用RS232标准与PC机进行通信；
          ⑶当发现最差电池单元时，首先显示该电池
       
        单元的剩余电量，其次对该电池进行过放保护并停止使用；⑷存贮最近24个充放电周期的详细数据；⑸当判断电池好坏时，允许快速查找电池基本信息和错误使用情况；⑹可以控制充电电流和电压值，采用两条PWM信号输出线来实现。
       
        ⑵BATTMAN系统。
       
        该系统是德国B.Hauck设计的。该系统可以实现对不同型号电池组的管理，将不同型号电池组做成一个系统，然后通过硬件和软件两方面来选择。在硬件方面，通过改变硬件的跳线；在软件方面，通过增加选择参数的办法。
       
        ⑶电动汽车EV1上的电池管理系统。
       
        该系统是美国通用汽车公司生产的。该系统最大的优点就是电池组的可靠性非常高。
       
        该系统由四部分组成：
          电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）；
          软件BPM（Battery Pack Module）；
          电池组热系统；
          电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect）。
       
        软件BPM主要完成以下工作：
          单体电池电压检测、高压保护功能、六路温度采样、电流采样、电池组充电控制、过放保护以及电量估计等。
       
        ⑷SmartGuard系统
          该系统是由美国Aerovironment公司开发的。系统通过一个分布式的专用IC管理装置来测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。
       
        该系统的主要功能有：
          ● 过充保护；
          ● 当放电反向时，发出报警信号；
          ● 能够记录历史信息；
          ● 提供最差电池单元的剩余电量信息。
       
        ⑸BatOpt系统。
       
        该系统是由美国AC Propulsion公司开发的。在该系统中，每个电池上都装有监控模块，监控模块经过two_wire总线和中心控制单元通信，向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元接收到上述信息后，发出相应的控制命令，这样就构成了一个分布式系统。
       
        1.2.2系统的国内现状
          相对于国外来说，国内的锂离子电池组监控管理系统主要是由高校与一些汽车生产商和电池供应商联合起来共同研发的，高校拥有自己的科技优势，经过多年的努力，研发了许多可靠的电池管理系统并已经投入使用。
       
        ⑴EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统。
       
        该系统是由清华大学研发的。该系统可以实时测量和监控电池的充放电电流、电压等参数，同时提供了过充、过放保护，这样就大大提高了电池寿命，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。
       
        ⑵同济大学研发的锂离子电池管理系统该系统是同济大学与北京星恒电池有限公司合作研发的。该系统的主要功能有：电压、电流和温度的精确采集，电池电量估计，均衡保护，事故处理与记录等。
       
        ⑶北京理工大学研制的电池管理系统该系统是专门为电动汽车上的电池开发的。
          该系统采用单片机作为微处理器，具有以下功能：
          可以实时检测电池电量、电池组总电压、总电流和各单体电池电压以及电池组温度等各种运行参数；
          具有故障诊断和报警功能；
          采用分布式网络控制系统结构，系统参数送入PC机，在PC机中进行标定后，再通过CAN总线与其他系统进行通信，实现信息共享。
       
        系统已经投入安装使用，结果表明该系统大大延长了电池组的寿命，提高了电动车的运行效率，当故障产生后能够及时发现进行处理，同时能够精确的估计电池组的剩余电量，提高了电动车的可靠性。
       
        1.2.3锂离子电池保护的常用方案
          从前面的介绍中，我们可以看到，在锂离子电池组的使用过程中，锂离子电池易受到过充、过放的影响，大大减少锂离子电池的使用寿命。因此，锂离子电池组的保护电路是非常重要的。
       
        锂离子电池组保护电路首先应当具有对锂离子电池组的过充保护、过放保护、均衡保护功能。另外，其保护电路除了能够完成以上功能，还需具备以下特点：
          ⑴低功耗电流。
        保护电路是在电池工况出现异常的情况下工作，因此保护电路消耗的电流要尽量小，实现降低损耗的目的。
       
        ⑵检测精度要高。过充电检测要求电路的精度高，如果检测精度不高，就不能保证电池容量的充分使用。
       
        ⑶工作电压低。
        保护电路对锂离子电池进行保护时，由于单节锂离子电池的电压较低，当电池放电时，电压就会进一步降低，因此，保护电路应该能在低电压下工作。
       
        针对上述提出的应当完成的功能和具备的特点，在目前来说，常用的锂离子电池管理方法主要有两种：
          ⑴采用专用芯片的锂电池管理系统。在常见的便携式设备中，通常使用容量较小的锂电池。首先，考虑的便携式设备的需求，通常要求系统的保护电路也尽可能小。其次，考虑到电池容量也相对较小，不需要过度考虑系统的均衡及保护问题。通常使用专用管理芯片并配合外围电路即可实现简单的电池充放电管理及保护功能。
       
        ⑵基于监测的锂电池管理系统。在大容量的锂电池应用系统中，专用的锂电池管理芯片已不能满足需要，需要采用采用微控制器来实现系统管理。我们通过信号采集电路采集电池组的各种数据，然后将这些数据送入微控制器进行分析，根据分析结果来判断电池组中各个电池的工作状态好坏，依据系统的硬件和软件设计，对锂电池组进行智能化管理保护，从而实现对锂电池电能的有效利用和延长电池寿命的目的。
       
        本文是针对16节锂离子电池组进行均衡保护设计的，而专用芯片最多只能实现对13节电池的保护，因此，如果采用专用芯片保护，那么至少需要2个专用芯片才能实现，提高了系统的成本。另外，采用专用芯片的话，锂电池组的电池个数将固定，这样系统的灵活性较低。综合多方面的考虑，本文采用基于微控制器锂离子电池监控系统的方案，微控制器选用低功耗的MSP430单片机。
       
        1.3课题意义及主要研究内容
          1.3.1本文的意义
          锂电池是20世纪末才出现的绿色高效能可充电电池，目前随着锂离子电池的推广及大量应用，锂离子电池深受社会和用户的欢迎。日常生活中，人们所用的手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备均已使用锂离子电池作为电源。
       
        当前，世界电池工业技术的发展，逐渐出现以下三个发展趋势：一、突出绿色概念、包括锂离子电池、无汞碱锰电池等，满足了人们对电池的需要。二、一次电池向二次电池转化。正如锂电池技术的基础上开发了可重复使用的锂离子电池，在无汞锰电池的基础上开发了可充电的无汞锰电池。三、便携式电池称为用户的首选。随着各式各样的电池出现，用户在选用电池时，在考虑到电池的环保、性价比的同时，更加注重电池的便携性。正因为锂离子电池具有高的体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术的发展趋势。据权威部门预测，我国锂电池总产值将挑战100亿美元，据IIT等研究机构推测，我国锂电池行业的年增长率将超过20%，2016年电池总体需求量将达到50亿块左右。可见，在当前和今后相当一段时间，锂电池将称为我国电池工业的龙头。由此可见，研究锂电池的管理系统显得尤为重要，是锂电池进一步推广的一个关键因素之一。
       
        1.3.2本文的主要研究内容
          本文是针对民用电动车上的锂离子电池组的监控管理而设计的。本系统的主要功能包括锂离子电池的充放电保护、单体电池的均衡保护、电池故障诊断以及上位机对电池组的实时监控等几个方面。
       
        本文的主要内容分为以下几个部分：
          第一章、研究目的与意义。简要介绍锂电池监控系统及其保护电路的现状和当前的保护方案。
       
        第二章、锂离子电池监控系统的基础研究。分析电池特性、电量管理、及锂离子电池的采取均衡措施的原因及常用方法。
       
        第三章、系统硬件设计。详细介绍了本文设计的锂离子电池监控系统的硬件总体方案，并详细介绍了各模块的硬件电路设计。
       
        第四章、单片机软件设计。详细介绍了系统的下位机软件设计流程及系统各模块的软件设计方法。
       
        第五章、上位机程序设计。详细介绍了系统的上位机软件设计流程及系统各模块的软件设计方法。
       
        第六章、模糊故障诊断。采用模糊控制技术实现对电池故障的诊断。
       
        第七章、系统测试结果及结论。在系统软硬件设计完成后，对系统进行了测试，重点是对保护电路、采集精度的测试。
       
        本文研究了当前国内外锂电池监控管理系统的现状，设计了一套锂离子电池组监控系统，完成了软硬件的设计。在完成系统设计过程中，重点解决了电池均衡和充放电保护问题。通过软硬件测试，该管理系统均衡及保护电路简捷、灵敏、可靠。通过实验测试，该系统具备低功耗、高精度、高稳定性、反应灵敏、操作简便等优点。