（控制科学与工程专业论文）磷酸铁锂动力电池组性能测试与分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 磷酸铁锂电池由于自身的性能特点受到广泛关注和应用，是目前电池界竞 相开发研究的热点。为了掌握电池组特性以及解决电池组的安全和延长使用寿 命，有必要对电池组的性能作深入的研究，为电池管理系统提供依据。本文主 要从磷酸铁锂电池组信号采集、电池组的放电特性、一致性和状态估计方面开 展研究。主要研究内容如下： 设计了电池组的单体电压、总电流及温度的采集模块。采用业界首款多节 电池监控芯片l t c 6 8 0 2 从高共模电压中抽取一个小幅差分电压，并利用芯片提 供的相关联m o s f e t 开关，设计了被动均衡充电电路。信号采集精度达到设计 要求。 对电池组进行放电和一致性特性分析。串联的1 0 节电池组在不同s o c 下进 行了不同倍率的恒流放电的试验，考察了放电电流大小对电池性能的影响，同 时研究了s o c 对电池性能的影响。试验表明磷酸铁锂电池组放电过程中有一个 很平稳的放电平台且在低s o c 状态下有一定的大倍率放电能力；放电能量效率 随s o c 增大而增加，随放电倍率增大而减小；大倍率放电性能较其他电池好。 1 1 0 节串联的磷酸铁锂电池组在无施加电流和施加电流时单体电池总体上成正 态分布，实现了利用统计学原理对故障电池进行初步有效的诊断功能。 利用双k a l m a n 滤波器对电池组进行状态估计。在单体电池s o c 定义的基础 上先对电池组的s o c 作了分析，结合试验建立了电池组的开路电压模型、工作 电压模型和放电效率模型。为了分离大电流对电量损失的影响，利用二阶段放 电试验建立放电效率模型。由于电池组在一定情况下可以等效为单体电池，利 用安时计量法和双卡尔曼滤波估算了电池的s o c ，在一致性误差系数相关函数 的基础上对电池组s o c 作了定性上的分析。 关键词：磷酸铁锂电池组，一致性，电池模型，双k a l m a n 滤波器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i f e p 0 4b a t t e r yi sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o na n du s e di nm a n yf i e l d sf o rt h e i r p e r f o r m a n c e sc h a r a c t e r s ，a n di st h eh o t s p o ti nt h ef i e l do fb a t t e r y t h ec h a r a c t e r so f b a t t e r i e si ns e r i e si sd i f f e r e n tf r o mt h ei s o l a t e do r l e s ，s oi ti sn e c e s s a r yt oh a v ea n i n s i g h tv i e wo ft h eb a t t e r yg r o u pa n do b m i nt h ec l u e st om a n a g et h eb a t t e r i e si no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo ft h es a f e t ya n dp r o l o n gt h el o n g e v i t yo ft h eb a a e r i e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，m a n ya t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h er e s e a r c ha b o u tt h eb a t t e r yg r o u p ， s u c ha st h es i g n a la c q u i s i t i o n ，t h ep r o p e r t yo ft h ee l e c t r o - d i s c h a r g e ，c o n s i s t e n c ya n d e v a l u a t i o no ft h es t a t e m e n t i no r d e rt om e a s u r et h ev o l t a g eo fe a c hs i n g l e - b a t t e r y , a n dt h ew h o l ec u r r e n ta n d t e m p e r a t u r eo ft h eb a t t e r yg r o u p ，t h ef i r s tk i n do fm u l t i s e c t i o nm o n i t o r i n gc h i p l t c 6 8 0 2w i l lb eu s e dt os a m p l i n gas m a l lp a r to fd i f f e r e n t i a lv o l t a g ef r o mt h eh i g h c o m m o n - m o d ev o l t a g e ，a n dap a s s i v eb a l a n c e dc h a r g i n gc i r c u i tw i l lb ed e s i g n e db y t h em o s f e ts w i t c hr e l a t e dt ot h ec h i p t oa n a l y z et h ep r o c e s so fe l e c t r o d i s c h a r g ea n dt h et r a i t so fb a t t e r yg r o u p ，a g r o u pw i t ht e n4 0 a hb a t t e r i e sw i l lb et e s t e du n d e rd i f f e r e n ts o cw i t hd i f f e r e n t c o n s i s t e n te l e c t r o - d i s c h a r g e ，a n de f f e c t sc a u s e db yt h ec h a n g eo f t h ed i s c h a r g i n g c u r r e n tf o rt h ec h a r a c t e r so ft h eb a t t e r i e sw i l lb ei n v e s t i g a t e d ，a sw e l la st h ee f f e c t s c a u s e db yt h es o cw i l lb es t u d i e d t h e r ee x i s t sas t e a d yd i s c h a r g i n gp l a t f o r mf o rt h e d i s c h a r g i n gp r o c e s so fl i f e p 0 4b a t t e r i e s ，f o rt h e r ew i l lc a u s eg r e a tc h a n g eo n l ya t t h es t a r ts t a t ea n de n ds t a t e ，m o r e o v e rt h i ss y s t e mw i l lh a v et h ec a p a c i t yt oh a v e l l i g h r a t eo fe l e c t r o d i s c h a r g eu n d e rl o ws o c s t a t e a n dt h ee n e r g ye f f e c t i v e n e s so f e l e c t r o - d i s c h a r g ew i l li n c r e a s eb yt h ea r g u m e n to ft h es o c ，o i lt h eo t h e rh a n d ，i tw i l l d e c r e a s eb yt h ea r g u m e n to ft h er a t i oo fe l e c t r o - d i s c h a r g e i ft h ec a p a c i t yo ft h i s g r o u ps u i t st h ep e u k e r tm o d e l ，t h e nt h el o s sw i l lb e c o m es m a l l ，w h e nt h er a t eo f e l e c t r o d i s c h a r g ei sh i g l l ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o - d i s c h a r g ew i l lb eb e t t e rt h a n o t h e rb a t t e r i e s e a c hb a t t e r yi nt h el i f e p 0 4b a t t e r i e si sa l m o s tn o r m a ld i s t r i b u t i o n w h e t h e rw i t ho rw i t h o u ti m p o s e dc u r r e n t , s ot h ec o n s i s t e n c yo ft h eb a t t e r i e sc a nb e d e t e r m i n e db yt h ed i s t r i b u t i o no fo p e nc i r c u i tv o l t a g ea n dp o l a r i z i n gv o l t a g e t h es t a t e m e n to ft h eb a t t e r yg r o u pw i l lb ee s t i m a t e db yt h ed u a le x t e n d e d 武汉理工大学硕士学位论文 k a l m a nf i l t e r f i r s t ，t h es o co ft h eg r o u pw i l lb ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h e d e f i n i t i o no fs i n g l eb a t t e r y ss o c t h e nt h em o d e l so ft h eo p e nc i r c u i tv o l t a g e ， w o r k i n gv o l t a g e ，e f f i c i e n to fe l e c t r o d i s c h a r g er a t i o ，o f t h eb a t t e r yg r o u p ，w i l lb es e t u pb yt h ee x p e r i m e n t a t i o n s i no r d e rt oi s o l a t et h ee f f e c t so ft h eq u a n t i t ye l e c t r i c i t y l o s sc a u s e db yt h eh i g hc u r r e n t ，t h em o d e lo fe l e c t r o - d i s c h a r g ee f f i c i e n tw i l lb eb u i l t u pb yt w o - s t a g ee l e c t r o d i s c h a r g ee x p e r i m e n t s f o rt h eb a t t e r yg r o u pi n c e r t a i n s i t u a t i o n sc a nb ee q u a lt oas i n g l eb a t t e r y , s ot h eb a t t e r y ss o c w i l lb ec a l c u l a t e db y a m p e r e h o u rm e a s u r e m e n ta n dk a l m a nf i l t e ra l g o r i t h m ，a n dt h eq u a l i t yo fs o c o ft h e b a a e r yg r o u pw i l lb ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h ec o n c i s i o nr u n i o n o ft h e c o n s i s t e n te r r o rc o n s t a n t k e yw o r d s ：l i f e p 0 4b a t t e r i e s ，c o n s i s t e n c i e s ，b a t t e r ym o d e l ，d u a le x t e n d e dk a l m a n f i l t e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：熟筮e l 期：趔! ：苎 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：魏五星导师 日期 2 orp 多 卜颦 鹤殇1雠聋 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车的出现改变了世界，同时汽车工业发展所带来的对石油资源需求的急 剧增加和对环境严重的负面影响日益引起人们的关注。人类社会和汽车产业的 可持续发展，受到极大的威胁，发展电动汽车及新能源汽车势在必行，同时对 缓解全球面临的气候危机和发展危机，加强环境保护具有特殊和深远的意义。 麦肯锡在0 8 年秋天发表的一份研究报告中预测，电动汽车将逐渐取代传统汽车 地位成为2 1 世纪主要交通工具。但是能使电动汽车相比于燃油汽车具有竞争优 势的关键是先进的电源和智能化的能量管理系统。磷酸铁锂是引发锂电革命行 业的一种新新材料，是锂电池行业发展的最前沿。本文将就车用磷酸铁锂动力 电池组性能这一课题展开讨论。 2 课题研究的目与意义 能源作为人类现代文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重视。当 前以煤炭和石油为主的能源消耗所产生的各种有毒废气以及排放c 0 2 导致的温 室效应等环境问题己成为全球最为关注的热点问题之一，也产生了日益深刻的 社会问题。据联合国估计，在2 0 2 0 年全球平均温度增幅将达到1 3 1 5 ，到 2 0 7 0 年全球平均温度增幅将达到2 和5 1 。环境污染不仅给人类及生物生存空 间带来了严重威胁，而且会给子孙后代留下无究的隐患。汽车作为能源消费大 户及环境污染的重要源头之一，据美国提供的资料城市大气污染量的6 3 来自 燃油汽车的废气排放，8 0 的城市噪声污染源于城市交通【l 】，其发展也面临严重 的挑战。鉴于目前金融海啸侵袭导致的全球经济衰退局面，再加上全球石油开 采量越来越大、能源紧张等严峻形势，在全球范围内，一场关于汽车能源改革 的科技大战正在酝酿。 我国政府也高度重视新能源汽车尤其是电动汽车的发展。例如，2 0 0 9 年国 务院审计并通过了汽车产业振兴计划，五条规划中有两条与新能源汽车密切相 武汉理工大学硕+ 学位论文 关。此外中美联合声明还达成了电动汽车、煤炭技术、石油天然气开发、 核能源等四个方面重点开展合作，以共同应对气候变化和全球变暖，以利于低 碳经济和节能减排。在此背景下电动车的发展被广泛看好，但是目前影响电动 汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题，延长电池的 使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。 蓄电池是混合动力的能源之一，其性能和工作状态对整车的动力性和续驶 里程至关重要。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命和优化匹配系统动力 参数，必须对电池进行有效的管理，而其前提是采集电池的基本信号和全面掌 握电池的特性。为此，国内外均投入大量的人力物力对电池性能开展广泛深入 的研究。 同时磷酸铁锂电池是锂电行业里的一种新材料，是锂电池行业发展的最前 沿，以其高效率输出、高稳定性、极好的循环使用寿命、环保和有较大降价空 间等特点，被广泛应用于混合动力汽车、电动助力车、电动自行车、电动工具、 发电储能装置等各个领域1 2 】。本课题的目的是以磷酸铁锂电池组为研究对象，通 过设计的放电试验，研究电池组放电特性和一致性，估算电池组的状态，对掌 握电池在串联情况下的特性，同时对提高电池组的循环使用、安全性和电池智 能管理水平有实际指导意义。 1 3 动力电池开发现状 动力电池具有较大电能容量和输出功率【3 】。1 8 5 9 年第一只可充电电池的诞 生到现在2 0 世纪9 0 年代锂离子电池的出现，电池的性能和寿命有了长足的进 步。同时，电池从研制成功到规模化生产的周期也大大缩短l l j 。 电动车对电池的性能要求【4 儿5 j 主要有高能量，功率密度；寿命长；安全性好； 充电时间短；费效比尽可能低。 美国u s a b c 对电动汽车用蓄电池的主要性能指标都有具体的要求，动力电 池对于电动汽车的发展意义重大，其技术和成本上的突破是电动汽车产业化的 提前。目前，正在电动车上使用或试用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍镉电池、 镍氢电池、锂离子电池等。其主要特性对比如表1 1 1 6 j 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1六种蓄电池的主要特征 镍镉镍氢密封铅酸钴酸锂锰酸锂磷酸锂 质量比能量( w h k g ) 4 5 - 8 06 0 - 1 2 03 0 5 01 5 0 - 1 9 01 0 0 1 3 5 9 0 1 2 0 内阻m q 1 0 0 2 0 02 0 0 - 3 0 0 1 0 0 0 容量8 0 ) 快速充电时间( h ) 12 - 48 1 6 1 5 3 1 1 耐过充电 中低高低 室温自放电速度 2 03 05 3 0 c 最佳) 1 c0 5 co 2 c l c i o c i o c 工作温度 4 0 - 6 02 0 6 0- 2 0 6 0- 2 0 6 0 修复时间( 月) 1 - 22 3 3 6 不要求 进入市场时间 1 9 5 01 9 9 01 9 7 01 9 9 11 9 9 62 0 0 6 环保性有毒略有污染有毒低毒，少量能被处理 1 3 。1 动力蓄电池主要性能指标 ( 1 ) 电池的放电制度 电池的放电制度是指放电率、放电形式、终止电压和温度【i l 。放电率分为时 率和倍率，电池以电流i 在1 1 小时内放出的电量为额定容量，这个放电率i 称为 f l 小时放电率；电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数称为倍 率。放电形式有恒流、变流或脉冲。终止电压指电池充放电不宜继续应该结束 时的电压，分为充电终止电压和放电终止电压【l 】。温度是电池处于平衡状态时进 行放电条件下的环境温度。 ( 2 ) 电池容量( a h ) 电池容量是指满电状态的电池在指定的条件下进行放电至放电终止电压时 输出的电量【。按国标【7 】使用- - , j , 时率在室温下放电容量作为电动道路车辆用动 力蓄电池额定容量。若蓄电池中的活性物质全部参与成流反应，按法拉第定理 计算出的最高理论值称为理论容量，一般用质量容量a h 堙或体积容量a h l 来 表示。i 小时率放电容量指在恒流放电条件下，正好用i 小时把充满电的电池放 电到放电终止电压时能够放出的电量，通常用c i 表示，电动汽车用电池用c 3 表 示【i 】。电池经过使用后，在指定的放电率和温度状态下放出的电量称作剩余电量， 3 武汉理工大学硕士学位论文 本文指定的条件为0 3 c ，常温下。常用s o c 来描叙电池的剩余容量。 ( 3 ) 能量( w h 、k w h ) 和功率( w 、k w ) 电池的能量指在一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的电能，在数 值上表示为工作电压电流的乘积在时间上的积分。把能量反映在单位质量或者 体积上又分为质量能量密度和体积能量密度。电池在单位时间内和一定的放电 制度下所输出的能量为电池的功率【引。 ( 4 ) 自放电率 自放电率指电池在一定存放时间内，在没有外部负荷的条件下由于自身损 耗失去容量的速度，常用单位时间( 月年) 内电池容量下降的百分数来表示1 9 j 。自 放电率的高低体现了电池荷电保持能力。 ( 5 ) 电池的循环使用寿命 电池的循环使用寿命指电池以充放电一次为一个循环过程，在一定测试标 准下，当电池容量下降到某一规定值以前，电池所经历的充放电循环总次数【l 】。 我国规定为达到额定容量的8 0 ，在实际的应用中常用使用年限和电池s o h 反 映电池使用寿命。 1 3 2 磷酸铁锂电池发展现状 自1 9 9 7 年a k p a d h i 首次提出磷酸铁锂( l i f e p 0 4 ) 具有脱嵌锂功能以来， l i f e p 0 4 已成为锂离子电池正极材料的研究热点。磷酸铁锂作为锂离子电池用正 极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。 同时该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广 泛等优点。但该材料存在导电率相对较差、振实密度较低和低温性能等不好等 问题【i 叭，有待于深入研究并取得突破。目前国际上在磷酸铁锂领域的领先企业 主要有3 家，分别是美国的高博( a 1 2 3 ) 、加拿大的p h o s t e c h ( 德国南方化学的 全资子公司) 以及美国的威能( v a l e n c e ) ，掌握较为成熟的量产技术。我国锂电 产业界从2 0 0 1 年开始陆续启动磷酸锂铁正极材料开发。当前，国内的磷酸铁锂 产业投资热正在兴起，其势头超过其他任何国家1 2 j 。但是正极材料的研究相对落 后制约了电池甚至电动汽车产业的发展。目前国内生产磷酸铁锂电池的正极材 料主要从国外进口，此外包括隔膜等配件也都是进口产品【1 1 j 。随着电动汽车产 业化，需求量日渐增加，如2 0 1 0 奇瑞s 1 8 电动汽车和福特迷迪电动版新能源车 型都是配备的磷酸铁锂电池u 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 电池组性能研究现状 由于电池本身的局限，作为动力推进的电池系统一般由大量的电池单体通 过串并联方式组成一个高电压、大容量的电池组。由于电池制造工艺和技术的 影响，电池组内各单体间存在内阻、电压、容量和温度等不一致问题，通常也 称作电池组的一致性或均匀性问题。不一致性的绝对存在使电池单体、模块和 电池组的性能有显著差异，从电池单体到模块再到电池组质量能量密度和质量 功率密度方面性能有明显的衰减。动力电池组的性能与电池单体的性能既有联 系又有区别，电池组的测试方案中必须获得电池组均匀性表现的参数，分析各 种不一致性的参数对电池性能影响的表现形式和相对重要性，为电池组的选取， 电池管理系统设计和电池本身的设计制造提供重要依据【l2 1 。试验是掌握电池性 能的基本手段，既是指导如何使用的依据，也是进行应用研究的基础，因此必 须拟定适合于电池组测试的测试规范。美国先进电池联合体( u n i t e ds t a t e s a d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ，简称u s a b c ) 和f r e e d o m c a r ( f r e e d o m c o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) 计划的两份电池测试手册1 1 3 1 4 1 是电池测试领 域非常重要的参考文献，其中的性能试验、寿命试验和性能鉴定试验内容的设 计思路、具体方法、工作流程都值得借鉴。我国对电动汽车用氢镍电池和锂离 子电池均有相应的国家标准和技术指导性文件，即g b t1 8 3 3 3 2 2 2 0 0 1 和g b z 1 8 3 3 1 2 0 0 1 。这两份文件主要是针对单体和模块的技术标准和相关测试方法， 但是是对少量电池单体组成的模块的模块性能的最低要求。2 0 0 8 年科技部出台 的h e v 用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范【l5 】对组合蓄电池也只有充电和 放电容量试验。 参考这些测试方法，国内外对电池组的性能进行了大量的研究，如电池组 连接方法【闻、容量特性、热平衡、电池一致性和均衡算法【1 8 1 “t 2 0 1 等，但是目前 大多在定性层面分析。如何建立不一致性的合理判定条件，进行动态主动均衡， 和定义估算电池组的s o c 仍然是面临的难题。 1 5 主要研究内容 本文针对车用磷酸铁锂电池组进行了如下方面的研究： ( 1 ) 电池组的信号测量。电池的性能参数是分析和监控电池的基础。设计 武汉理工大学硕士学位论文 信号采集模块提高电池组的电压、电流及温度的测量精度。 ( 2 ) 电池组的均衡管理。为了给设备提供足够的电压，锂电池包通常由多 个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配将使某些电池容量加速衰减。 而电池组的容量是由单体电池最小容量决定的，因此这些差异便会影响整个电 池包的容量，缩短电池组的使用寿命，为此设计了充电被动均衡电路。 ( 3 ) 电池组放电特性分析。通过选用1 0 节4 0 a h 串联电池组在不同s o c 下 进行了不同倍率的恒流放电的实验，考察了放电电流大小对电池性能的影响， 同时研究了荷电状态对电池性能的影响。 ( 4 ) 电池组一致性分析。为了搞清影响锂离子电池一致性的因素，以及随 着各因素的变化电池组电压一致性、内阻一致性和极化电压一致性变化的趋势， 根据试验条件做了相关测试，本文研究了电池组单体电池的开路电压、工作电 压和极化电压分布情况，并且利用统计原理对故障电池进行初步诊断。 ( 5 ) 电池状态估计。电池的状态包括荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，简称s o c ) 和健康状态( s t a t eo f h e a l t h ，简称s o n ) 。根据实验数据设计适合磷酸铁锂电池模 型，重点研究安时法和k l m a n 滤波方法，选择合适的k a l m a n 滤波变量估计电池 组的s o c ，对s o h 作定性分析。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章磷酸铁锂电池组信号采集系统硬件设计 电池组的状态与电池的单体电压、总电流温度等外部电气参数有着密切 的关系，为了优化电池组使用，充分发挥现有电池的性能和延长电池寿命，对 电池组进行有效的特性视4 试和分析的首要任务就是实时精确地监测这些模拟信 号。本章选用业界首款应用于电池组的监控管理芯片l t c 6 8 0 2 解挟了从高共模 电压中抽取一个小幅差分电压；使用设计的信号采集卡对电池组的重要特性设 计了相应的试验，为电池的状态估计，能量管理和安全管理提供依据。 21 磷酸铁锂电池工作原理 锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成，而磷酸铁锂电池 是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。虽然磷酸铁锂作为锂离子电池用 正极材料电子导电率和离子扩散率不高，但是其具有较高的理论容量 ( 1 0 7 m a h g 。1 ) ，平稳的充放电电压平台，充放电过程中结构稳定口”。同时，该 材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优 点，目前在商业化中有广泛的应用。 图2 1 磷酸铁锂电池的内部结构图2 - 2 磷酸铁锂工作原理示意图 磷酸铁锂电池的内部结构如图2 - 1 所示。铝箔与由l i f e p 0 4 组成的电池正极 相连接，中间是聚合物的隔膜将正极与负极隔开，电子e 一不能通过而锂离子上+ 可以通过，铜箔与由石墨组成的电池负极连接1 2 ”。 藩v 囱每 簇 武汉理工大学硕士学位论文 充电时电池正极中的锂离子三广通过隔膜向负极迁移；放电时负极中的锂离 子三f + 通过聚合物隔膜向正极迁移。其反应机理可表示如下： 充电：l i f e p 0 4 一z l i + 一z e z f e p 0 4 + ( 1 - z ) l i f e p 0 4 放电：f e p 0 4 + z li + + z e 。z li f e p 0 4 + ( 1 - 2 ) f e p 0 4 2 2 磷酸铁锂电池组模拟信号采集电路设计 本文设计的监测对象是满足燃料电池电电混合电动汽车项目要求的1 1 0 节 磷酸铁锂电池组。由于锂离子电池对过度充电或过度放电很敏感，因而必需对 电池组中的每节电池进行谨慎的管理。电池性能测试的指标多、要求严，本文 就电池管理系统的要求对电池组的单体电压、总电流和温度进行测量。整体的 电池管理框架如图2 3 ，整车通讯模块采用c a n2 0 b 总线与车载光纤c a n 网络 进行数据的交互，上、下机通讯采用r s 2 3 2 接口，主控制器结合外部时钟芯片 向外扩e e p r o m 实时存储带时刻标度的电池状态信息。本节设计的信号采集结 构框图如图2 4 所示。 图2 3电池管理系统结构图 8 武汉理工大学硕士学位论文 t x d c 厂丽 微 衄竺 处 理 c a n 驱动 8 2 c 2 5 0 器 甄f p i c i 竺! ! f 2 2 1 单体电池电压采集 图2 4 信号采集框图 单体电池的电压较低，为了实现高功率和可再充电应用，多数应用场合采 用多节电池串联来提高端电压。本节设计的目的就是要实时测量串联的1 1 0 节每 个单体电池的电压，从高共模电压中抽取一个小幅差分电压。由于采集电路必 须保证测量系统和被测量系统的共地，一般对高压电池组采用悬浮地【2 3 j ，光耦 继电器切换【2 4 1 【2 5 1 和运放采样电路等方法【2 7 1 ，这些方法有各自的优缺点但在测 量电池组单体电压方面都是可行的，在一定的时期都被广泛使用，但共同点是 分立电子元件数目都较多使系统设计费用高又不十分可靠。图2 5 显示了一款凌 力尔特公司高度集成的多节电池监视i cl t c 6 8 0 2 的测量方案。该器件利用专有 的电平移位串行设计使得能够把多个l t c 6 8 0 2 在无需光耦合器或光隔离器情况 下串联叠置，可堆叠式架构实现了1 0 0 0 v + 系统，多个串联的l t c 6 8 0 2 可以同时 运行，在1 3 m s 内能使每节电池的电压转化为以1 5 m v 为分辨率数字化成一个1 2 位字，以实现对串联电池中每节电池的电压进行快速和精准地测量引。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ，2 - e 善l l 酗r # 抻 s t r t r a ； 鹾x ：2 c 差t l p a c k 孽吟锈 醛) ( 了，2 淡l l 鼢蔷麓8 l 溯 v 三x 了e 砖斑矗l i f ，i 转ss ? 龟 芎s 地0 c c , t i t a 0 l o 溆k l e 图2 5l t c 6 8 0 2 功能框图 s e r i a l0 二t a f 0i e 3 l 舂彦0 i e s 建1 a lc ) t 氨 t o 。- c 8c 1 2 - 链l 8 w l t c 6 8 0 2 器件最大测量准确度在4 0 0 c - 8 5 0 c 温度范围内保证高于9 9 7 5 ； 并且对串联电池组中每节电池进行了欠压和过压监控，可以根据实际需要配置 成测量或监控方式，同时每节电池的输入都有一个m o s f e t 开关，该开关可用 来对任何过度充电的电池放电，以应对电池成组均衡问题的挑战；具有数据包 误差检验功能的1 m h z 串行接口，该接口支持广播和寻址指令；包括两个热敏 电阻输入以测量环境或电池组温度、两条g p i o 线和一个5 v 稳压器。为了应对 汽车和特殊的工业环境，l t c 6 8 0 2 具有高的抗e s d 、抗e m i 和抗噪声性能，并 具有内置的温度和输入断开诊断和自测试功劁列j 。 电池监视系统架构必须平衡系统准确性、可靠性、可制造性、成本和功率 要求，每种架构都有自己的优缺点【3 0 1 。 l t c 6 8 0 22 ，分别用于串行和并行配置， l t c 6 8 0 2 有两种型号：l t c 6 8 0 2l 和 同时这两个型号器件具有同样的电池监 视规格和功能。图2 - 6 显示了并行独立c a n 模块和具c a n 网关的串行模块构 架f 3 0 1 。 1 0 盟要赢 一一 一一一 ，o，、 武汉理工大学硕士学位论文 1 2八 控制模块 节 , - - 7 电?e 监窀芯片f s p 触r l 川卜一 富 联 一l u ”乞1 卜 电 l 模块1 池 整车 c a n 总线 图2 - 6 具c a n 网关的并行和串行模块 图2 7 电压测量原理图 整车 c a n 总线 本文选用l t c 6 8 0 2 1 构成具c a n 网关的串行模块，l t c 6 8 0 2 1 用于叠置式 l l 武汉理工大学硕士学位论文 s p i 接口配置。多个l t c 6 8 0 2 1 器件可以通过一个接口串行连接可沿着电池组来 回发送数据。对l t c 6 8 0 2 。l 而言v m o d e 和t o s 引脚在不同模块中连接方式不一 样。注意事项如下： ( 1 ) 在底层板( 即与m c u 联接的第一块电压采集卡m o d u l e1 ) v m o d e 应 与v r e g 引脚连接，以使s c k i ，s d i ，s d o 和c s b i 作为i o 曰( t t l 电平) 。串 联的其他l t c 6 8 0 21 采集板( 轴) 的v m o d e 应与v - 连接，则s d o 没有使用， s c ，s d i 和c s b i 作为电流输入输出口，此采集卡受下一级采集卡( | n 1 ) c s b o 端口的驱动。 ( 2 ) 顶层板的t o s 接高电平( v r e g ) ，则s d o i 不能作为输入口；其它采集 卡的t o s 接低电平，则既可作为输入也可以作为输出。 ( 3 ) m m b 引脚为低时芯片工作在监控模式，禁止看门狗时钟电路，而且 g p i o 和w d t b 都作为输入，其值决定监控的电池数，w d t e n 反映w d t b 引 脚的电平；为高时，g p l o l ，g p l 0 2 为通用1 0 。 2 2 2 总电流采集 为了优化电池的使用和充分发挥锂离子电池组的性能，必须计算其电量。 计算电池电量，目前主要以电流和电压测量为基础，对于车用动力电池电流大 且变化范围宽的系统，电流检测是电源管理的技术之一。一般在大电流情况下 使用霍尔电流传感器，在1 0 a 以下串电阻进行分压1 2 7 】，由于动力电池充放电电 流宽，应用环境干扰较为强烈，本文选用l e m 公司的d h a bs 1 8 。d h a b 系列 传感器采用了霍尔传感技术与磁调制技术相接合，原边电路( 大功率) 和副边 电路( 电子电路) 之间采用电气隔离设计，将d h a bs 1 8 直接装于汽车的电池 取电母线上，传感器的双量程在两区间进行选择组合，d h a bs 1 8 小电流环范 围为3 0 安之间，大电流环介于3 5 0 安之间，并且能在大电流测量的全范围 内而不损坏小电流环，并在小电流状态下有较高的精度测量能力。使用温度范 围为- 4 0 - 、，1 2 5 ，误差小于1 ，频率响应达到1 k h z ，而且使用方便。传感 器接口端子如图2 8 所示，传感器供电电源为+ 5 v ，c h a n n e l1 ，c h a n n e l2 分别 为小电流环和大电流环的输出信号，。 计算公式： 矿 圪埘( ) = 等( g 厶+ 2 5 ) ( 2 - 1 ) 1 2 武汉理工大学碗士学担论文 纠一争+ 石1 + 霄5 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，：传感器供电电压；g ：精度常数，单位为v i a ，小电流环取 图2 - 8 二阶巴特沃斯滤波电路 髓露厘量盟i 圉量垦雷曼富l 瞪霜昌霭霍量 武汉理工大学硕士学位论文 223 温度采集 电池都有一个正常工作的温度范围，而且在充放电过程中始终伴有温度的 变化。研究发现，温度与电池的客量和充放电之间有一定的联系，是计算s o c 的一个重要影响因素【”1 1 3 ”。判断电池安全和热处理方面也需要温度参数。因此 实时监测电浊组的温度很有必要，但是电池个数较多实际应用中可以利用红 外热成像分析电池模块的热场分布来决定不同区域合适的测温点的个数i 3 4 j 。本 文根据实际需要接每组1 2 节电池测试一个电池的接线端温度作为此组1 2 节电 池的温度，传感器选用d s l 8 8 2 0 。 d s l 8 8 2 0 是单线数字化温度传感器芯片，较传统的温度传感器具有结构简 单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、能提供9 到1 2 位温度值、精度高、信息 传输只1 根信号线接口简单、两种供电方式和可组嘲实现多点温度测量等优点， 并且可以设置报警温度值，一旦温度值超出报警温度值，就在总线上响应主机 的报警搜索命令，使报警点很快被定位。其测量范围从一5 5 + 1 2 5 ，精度为 0 5 ，完全达到电池的工作温度范国- 4 0 + 6 0 1 3 5 1 典型应用如图2 - 1 0 所示。 图2 1 0 多路测温接口电路 28 每个d s l 8 8 2 0 芯片的光刻r o m 中的都有出厂前被光刻好的、唯一的用来 标识其地址的“位序列号，由于序列号的唯一性，从而一根总线上可挂接多个 芯片，但超过8 个就要注意总线驱动。本文电池组需要1 0 个d s l 8 8 2 0 进行多点 测温，有两种方法：一、可以先对d s l 8 8 2 0 单独进行6 4 位序列号的读取，将 1 0 个i d 号存放在m c u 温度采集子程序中，读取温度时依照各个i d 来操作； 武汉理工大学硕士学位论文 二、可用自动序列号识别技术每次启动时自动读取i d 号并存储 3 5 】。第二种方法 利于程序的可移植性与通用性，现场调试应用更灵活。 2 3 电池组充电被动均衡电路 为了给设备提供足够的电压，锂电池包通常由多个电池串联而成，但是如 果电池之间的容量失配将使某些电池容量加速衰减。而电池组的容量是由单体 电池最小容量决定的，因此这些差异便会影响整个电池包的容量，缩短电池组 的使用寿命。提高电池组的一致性除了加强制造工艺和单体电池筛选还应配置 电池组均衡处理电路p 6 j m j 。 均衡电路分为主动平衡和被动平衡。主动平衡就是当电池的电荷状态超过 其邻近的电池时利用储能元件将多余的电荷电池转移到其他电池，电荷在电池 间往返运动最终实现平衡同时电荷被利用而不会作为热量被浪费掉。现在有应 用的元件为大电容、电感和变压器，但是体积大成本高，而且均衡模型算法比 较复杂，限制了这种方法的使用。被动平衡就是当电池的电荷状态超过其邻近 的电池时在其两端布设一个放电电阻器将其多余的电荷变成热量被浪费掉，而 不是重新分配。虽然损失了电量但是在充电阶段对电池一致性、安全和延长电 池组的使用寿命有实际的意义，而且是客用混合动力车的标准电池平衡方法， 放电电流根据电池组的容量和使用工况而定，通常为1 0 0 - - 2 0 0 m a 【3 s 。 l t c 6 8 0 2 对每节电池的输入提供一个相关联的m o s f e t 开关，该开关可用 来对任何过度充电的电池放电，这些开关用于所谓的无源充电均衡。图2 - 1 1 中 l t c 6 8 0 2 1 的s ( 1 ) 输出用于控制q l 。元件o l 、r 3 7 负责提供被动电池平衡。d l 和r 1 4 用来显示l 号电池是否在放电。元件r l 和c l 构成了用于l t c 6 8 0 2 1a d c 的低通l c 滤波器。二极管d 1 3 、d 1 4 和电阻器r 1 3 用于提供保护作用。齐纳二 极管d 1 3 的击穿电压是6 2 v ，它将自动地在串联电池组中每个电池电压测量触 点未连接好的输入端上分配安全的电压。d 1 4 负责保护平衡场效应管q 1 的栅极。 r 1 3 用于在齐纳二极管d 1 3 被强制接通的情况下保护i c 的s ( 1 ) 输出p 引。电池组 中其他单体电池两端都是相同的电路。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 i 被动均衡充电平衡电路 均衡电路设计时必须根据均衡放电模型【3 9 】【4 0 1 决定在不同的使用情况下启动 电池均衡的电压差和放电电流来选择功率晶体管和功率电阻。同时电流应保持 在合理的范围内，均衡电流过高功耗会很大，引起电池包升温或增加元件负担； 均衡电流过低，达不到均衡的意义。 2