新型锂电池组智能管理模块的介绍.doc

新型锂电池组智能管理模块的介绍；MCU（微处理器）；平衡电路；温度保护 0引言由于锂离子电池具有放电电压稳定，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，重量轻及无公害等优点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。但另一方面锂离子电池对充放电要求很高，当过充电发生时，电解质会被分解，而使得电池内部的温度与压力上升；当过放电发生时，负极中电解材质铜会熔化而造成内部短路，使温度增加；当外部电路短路或放电电流过大时，由于高内阻的特性，电池内部功率消耗增加，温度亦会上升，可能引起电解液的氧化或分解，导致电池寿命缩短；当以上情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸1，因此，锂离子电池无一例外地都加有保护电路。再者，由于动力设备为减少大电流对锂离子电池造成的损耗，使用的驱动电压远高于单节锂电池的3.6V，目前电动自行车使用额定电压一般为36V，电动汽车则使用300V左右的电压。这就使得必须使用多节锂电池单元串联组成电池组，这样就解决了大电流造成损耗的问题，但又带来了锂电池组组合的新问题：各单节锂电池内部特性的不一致，必然导致各节锂电池充、放电不一致，故在充、放电过程中需要解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题。本文介绍的智能动力锂离子电池组能源管理模块安装在动力锂离子电池组内部，是以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效地对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供了通信接口。1系统组成及主要功能智能动力锂离子电池组能源管理模块的设计思路，来源于笔记本电脑中的电池电源管理方案设计。笔记本电脑的电池电源管理能够精确提供（或者显示）电池状态数据，包括电池当前的端电压、电池温度、电池内阻、电池的剩余容量，使人们在用电池供电时，不至于在正常的工作中突然掉电而影响工作或造成数据的丢失；可以合理或者更科学地使用电池，不会使电池过放电和过充电，有效地延长电池的使用寿命以及必要的保护和报警功能。电动力设备如电动自行车、电动汽车使用的动力锂离子电池组的能源管理同样应具有上述功能。本智能能源管理模块主要由“管理功能”、“保护功能”和“通信功能”组成，相应的功能框图如图1、图2和图3所示。2主要工作原理及方案设计2.1充电原理与方案设计普通（常规）充电法的时序图如图4所示，它是按预充、恒流、定压三阶段进行5；由于本智能能源管理模块的控制、检测置于电池内，而充电电源及适配器外置，虽然可通过通信接口与外接充电器形成一个闭环控制电路（电动汽车具有此通信接口），但并不是所有用电设备都有。当然亦可将充或放电开关管选择为线性调节方式（等效为可调电阻），线性模式成本较低，但该模式功率消耗引起的发热是非常大的，对如此小的系统，发热是无法接受的。为了能够达到兼容的目的，本智能能源管理模块的预充与定压充电采用间歇式充电法，如图5所示，而恒流充电则借助于充电电源适配器的限流控制。对装有智能能源管理模块的动力锂离子电池组充电时，必须外接与之匹配的恒压限流型的电源适配器，其恒压值Uc为Uc=4.2N损耗电压（1）式中：N为电池节数。限流值Ic为Ic=（0.51）C（2）式中：C为电池容量，如C=10Ah，0.5C充电率即充电电流为5A。在实行充电前必须先进行系统的初始化，然后才按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电。2.1.1初始化虽然初始化阶段并未开始对电池充电，但却是整个充电过程很重要的一步。智能能源管理模块在此阶段对自身进行初始化和自检，以确定自身是否工作正常，同时检测充电条件是否符合充电要求：（1）外接充电电源极性是否正确；（2）外接充电电压是否在规定范围内；（3）当时温度是否过热或过冷；（4）锂离子电池端电压（各单元）是否在允许的最低充电电压以上；（5）锂离子电池端电压（各单元）是否高于过充电检测电压；2.1.2预充预充电不是每次都要进行，其目的是当电池过度放电、存放时间太长或电池已经损坏，电池端电压已经低于锂离子电池允许的最低充电压以下时，必须以小的电流（约为正常充电电流的1/10）进行预充，使锂离子电池端电压上升到最低允许充电电压以上，才能转为下一个充电程序恒流充电。预充原理是电源适配器通过MCU控制向电池施加一个比较小的充电电流（约为正常充电电流的1/10），使得低于允许的最低充电压以下的电池在固定的时间内达到最低允许充电电压值，避免将深度放电的电池认为是不可充的电池。如图6所示，本模块的预充是电源适配器通过预充开关管S1、电阻R4、S3向电池预冲的，这时MCU通过程序控制放电开关管S3全导通，预充开关管S1做间歇式导通，刚开始时采用较短的导通时间及间隔较长的关断时间（等效平均电流较小）向电池预冲，在S1截止期间检测各单元电池的电压，若电压升高可适当加大S1的导通时间及减少间隔时间使之保持在一相对平衡的充电功率之下，直至电池的端电压上升到锂离子电池允许的最低充电电压（2.52.7V之间，与温度有关），然后进入下一充电阶段恒流充电；若长时间预充电池端电压都不能到达最低允许充电电压，则说明电池已损坏，程序进入充电禁止状态。2.1.3恒流充电本模块对锂电池恒流充电要求外置充电电源是恒流的，其恒流值应小于锂离子电池的最大允许充电电流（45）或过冷（10），否则将会导致性能下降、损坏，甚至出现其它安全（如爆炸等）问题，因此，对锂离子电池进行温度监测并实行保护是必需的。本方案选用MAXIM公司推出的温度监控器MAX6501-MAX6504，对测量温度值不进行严格检测，只检测温度是否超出了某个预订范围，一旦温度超出所规定的范围则发出报警信号，并启动相应的保护电路。MAX6501-MAX6504是具有逻辑输出的温度监视器件，采用5脚SOT23封装，工作电压范围为2.75.5V。温度检测门限由工厂预置为固定值，可预置范围为40115，预设间隔为10。3结语本文介绍的动力锂离子电池组智能能源管理模块通过内置的微处理器，采用智能化的方法对电池提供平衡保护，发挥锂离子电池的最大性能，开发出样机经过试验，满足设计要求，目前已经在多家电动自行车厂进行了试用，具有很好的推广价值和经济前景。串联电池组保护与均衡原理串联电池组我的保护原理是：一。当有1节电池的过充或过放达到门限是都是整体断开，具体门限值由所选择的IC决定。二。过流保护和单节的原理相同，用电压除以电阻，计算得出，可以通过IC的 选择和调整MOS的内阻实现，实际检测过的最高达120A，过流值对整板的体积影响很大，主要是考虑散热。三。短路保护也是根据单节的改进而成，我所做的可以承受长时间短路和脉冲式短路。四。温度保护，就是在信号端加一个温度开关，需要多少的就选择多少的。五。自耗电约150uA串联电池组充电均衡原理是：一。开始充电就一直检测所有电池的单体电压，当最高和最底的压差达到设定值（