（机械电子工程专业论文）动力型锂电池组管理系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着锂离子电池技术的飞速发展，锂离子电池组作为动力型电池组的应用也 越来越广泛，但是电池组的安全性能和循环性能成为了当前制约发展的主要因素。 而管理电路可以缓减这些问题，因此电池管理系统的研究已成为当前的热点。 本文对动力型锂离子电池组系统进行了研究，主要从电量管理、状态管理以 及均衡管理方面进行了研究，增强了循环中电池组的安全性能，同时提高了电池 组的循环性能。 对电流采样精度以及电量估算算法进行了研究，在电量估算算法校正中加入 了电压校正，而且充分考虑了其它因素的影响，做好了相应的补偿，改善了电量 估算精度低的问题。 对管理系统的低功耗进行了研究，通过管理系统的状态改变等措施使得管理 系统整体功耗降下一半左右。保护值的设定随着温度的变化能进行自适应校正， 同时通过输出故障代码，显示相应的故障。 在均衡管理方面，设计的硬件电路更加实用有效，软件的设计充分体现了硬 件的特点，大大缓解了电池组中最差性能电池的加速衰减，从而改善了电池组的 寿命。 通过试验，管理系统的各项指标都达到了预期的效果。 关键词：锂电池组，均衡管理，电量管理，低功耗，自适应 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el i - i o nb a t t e r yt e c h n o l o g ya n dt h el i - i o n b a t t e r i e sa l ew i d e l yu s e d 嬲t h ep o w e rb a t t e r i e s ，t h ec y c l el i f ea n ds a f e t yc a p a b i l i t yo f l i i o nb a t t e r i e sh a v eb e c o m et h ep r i m a r yp r o b l e m st oh i n d e rd e v e l o p m e n t c u r r e n t l y t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) w a sf o c u s e di nt h es t u d yf o ri t sm i t i g a t i n gt h e a d v e r s ee f f e c to ft h e s ep r o b l e m s t h eb m s ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r i cq u a n t i t ym a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，t h es t a t u s m a n a g e m e n ts u b s y s t e ma n dt h eb a l a n c em a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，w a ss t u d i e di nt h i s p a p e r , a n dt h es a f e t yc a p a b i l i t yo f t h el i - i o nb a t t e r i e sw a si m p r o v e da n dt h ec y c l el i f e o ft h el i - i o nb a t t e r i e sw a sp r o l o n g e d t h ei n v e s t i g a t i o no nt h ea c c u r a c yo fc u r r e n ts a m p l ea n dt h eg a u g ea r i t h m e t i c i n d i c a t e dt h a tt h eg a u g ea r i t h m e t i cw a sk e p tw i t h i n5 b yt h em o d i f i c a t i o no ft h e b a t t e r yv o l t a g ea n dt h ec o m p e n s a t i o nw i t ho t h e rf a c t o r s n er e s e a r c ho f1 0 wp o w e rd i s s i p a t i o no ft h eb m ss h o w e dt h a tt h ep o w e r d i s s i p a t i o nw a sh a l v e d 1 1 1 ep r o t e c t i o nv a l u ew a ss e tw i t ht h ea d a p t i v em o d i f i c a t i o no f t h et e m p e r a t u r e ，a n dt h ef a u l ts t a t ew a ss h o w e db yo u t p u t t i n gt h ef a u l tc o d e i nt h eb a l a n c em a n a g e m e n t ，t h eh a r d w a r ew a sm o r ep r a c t i c a la n de f f e c t i v e ，a n d t h es o f t w a r ed e s i g nf u l l yr e f l e c t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r d w a r e t h ed e c a yo f t h ew o r s tp e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r yp a c kw a sg r e a t l ya l l e v i a t e d ，a n dt h el i f eo ft h e b a t t e r yp a c kw a si m p r o v e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n d i c a t o r so ft h em a n a g e m e n ts y s t e mh a dm e tt h e r e s u l ta sw ee x p e c t e d k e yw o r d s ：l i t h i u m - i o nb a t t e r i e s ，b a l a n c em a n a g e m e n t , e l e c t r i cm a n a g e m e n t , l o w p o w e r , a d a p t i v em o d i f i c a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 当今，传统的燃油汽车在一些发达国家已经大范围的普及了，我国的燃油汽 车数量也正成高速增长的态势，在一些大城市里，私家汽车拥有率已经很高。然 而，面对日益减少的燃油数量和持续上涨的燃油价格，以及由于汽车尾气排放所 造成的环境问题，人们希望能够找到传统燃油汽车的替代产品。目前，较为热点 的研究车型包括燃料电池汽车( f c v ) 、混合动力汽车( h e v ) 和纯电动汽车( p e v ) 。 电动汽车( e v ) 是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、 安全法规各项要求的车辆。与传统内燃机汽车相比，电动汽车具有如下优点：无 污染，可以做到零排放；噪声低，电动机的噪声远小于内燃机车；能源效率高， 尤其适合于城市工况下频繁地起步停车；能源多样化，向蓄电池充电的电力可由 煤炭、风力、水力、核能、太阳能等能源转化；结构简单易维修，传动部件少， 且电动机的操纵简单，无需换档。上述优点决定了电动汽车发展的优势。电动汽 车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工 作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，由驱动电动机、电源和电动 机的调速控制装置等组成，是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车的其他 装置基本与内燃机汽车相同。目前，在驱动电机设计以及电动机的调速控制方面， 技术相对较为成熟、完善，相比之下，由于动力电池的寿命短，成本高，使其成 为电动汽车技术发展中的瓶颈。电池的作用是为电动汽车的驱动电动机提供电能， 电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。 电池是电动汽车发展的首要关键，要想较大范围内应用，甚至普及电动汽车，就 要依靠安全、可靠、持久、低廉的电池组。目前比较看好的是锂离子电池。较其 它类型的二次电池，锂离子蓄电池具有如下的优点：单体电压较高，比能量大， 比功率高，自放电小，无记忆效应，循环特性好，可快速放电且效率高。这些优 点使其成为较有前景的储能方案。但是，锂离子电池由于其自身的化学特性和物 理特性限制，以及应用于工况下的实际要求，作为电池组串接使用的时候需要配 以动力电池管理系统，以实现对电池组的监控、管理、保护和报警等功能。例如， 电动汽车行使过程中电池组过流放电的保护，单体电池欠压使用、过压充电等的 武汉理工大学硕士学位论文 判断和报警。因此，除了电池自身的质量提高外，使用过程中的监控和管理也是 对电池组的有效保护，同样可以提高电池组的使用寿命和使用效率。此外，准确 的电池荷电状态( s o c ) 的估算，可以对电池续驶能量做出及时、准确地预测，驾 驶人员可依据此参数选择充电时机。由上可见，电池管理系统作为电动汽车技术 研究当中的一个重要组成部分，也是关键部分，在电动汽车的产业化、市场化发 展中起到重要的意义。因为，功能完善、荷电状态( s o c ) 估算准确、成本低廉的 电池管理系统不仅可以为电动汽车的动力电池组提供安全良好的运行保证，还可 以降低电动汽车的整车成本以普及电动汽车的大众化要求。 1 2 电池管理技术发展现状 上世纪末开始凸现的能源问题、环境保护问题成为了社会关注的重要问题， ，同时也促进了电动汽车的发展。于是，具有零排放、无污染的电动汽车逐渐被重 视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1 9 9 3 年9 月，美国 政府提出了1 0 年完成的“新一代汽车合作计划”( p n g v ) ，由政府牵头，组织几 十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在 政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划，调动社会上各种力量参与电 动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性 试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。我国在电动汽车 发展方面也取得了长足的进步。由国家科学技术部立项的8 6 3 电动汽车专项取得 了显著的进展。整车方面已初步形成了产品开发系统，纯电动、混合动力和燃料 电池汽车功能样车均已实现。目前，电池是电动汽车走向成熟发展的一个最大瓶 颈，针对这样的现状，世界上的各大电池厂商和汽车厂家主要从两个方面着手来 应对电池技术的挑战：( 1 ) 加大投入，提高电池的研发能力，运用新的技术来 降低电池的成本；( 2 ) 采用科学智能的电池组管理系统，通过对电池的使用进 行优化来实现对提高动力电池的使用效率，从而达到更安全、合理地使用电池的 目的，也就是变相地降低了电池的成本。 电池管理系统( b m s ) 是用来对电池组进行实时监控及相应的管理控制，提高 电池组的使用效率，延长电池组的使用寿命，降低其运行成本的目的，并进一步 提高电池组可靠性的电，整个系统作为一个整体在电动汽车中发挥作用，是现代 电动汽车必不可少的核心部件。 2 武汉理工大学硕士学位论文 动力电池组是由很多单节电池串联起来的，在充放电过程中由于多种因素难 免会因为单体电池特性不完全相同而出现个别电池过充电或者欠充电的情况，甚 至使整个电池组无法正常工作。电池管理系统能够测量电池的实时电压、充放电 电流和温度等参数，根据这些参数判断电池的工作状态，从而保护电池，防止个 别电池的早期损坏，有利于电动汽车的运行。 我国在电池管理方面才刚刚起步，在电动汽车研究水平比较发达的一些国家， 他们的研究工作也不完善，电池管理还不是很成熟。如何实现无损、低损的电池 充电监控、电池组工况下放电监控、避免过放电现象等，同时对电池进行实时的 或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行，国内外都在进 行研究。电池管理系统从功能上，分为电量管理，状态管理及均衡管理。实际应 用中根据应用对象不同，所需要的功能也不尽相同。对于小型电池组，一般仅需 要电量管理和状态管理。且功能要求相对简单，电量管理采用开路电压法即可， 要求高的场合，如笔记本电脑中可以采用电流积分法。而状态管理在小型电池组 中也仅有故障显示。中型电池组应用中，3 个方面功能都需要，但是电量管理方 面要求也不是很高。而大型电池组要求3 个方面都功能完善，尤其是均衡管理。 目前国内外各机构对电池管理系统进行了研究，但仍然存在一些问题： ( 1 ) 状态管理方面，管理系统板的整体功耗高，达到5 0 0 r o w 以上，这些功 耗对于大型电池组影响较小，然而在中型电池组中，系统功耗会对电池组有很大 的影响，尤其在放电态的电池组中。且对于温度等因素对于参数设置的影响考虑 较少。 ( 2 ) 均衡管理方面，现有的均衡控制策略存在着电路复杂，体积大，效率低 的问题，且大部分仍然在采用耗能式的均衡方式。容易导致某单体电池的性能快 速恶化，而且当某一节单体电池性能恶化时，该电池的性能恶化程度将加速，从 而导致电池组的快速衰减。 ( 3 ) 电量管理方面，较好的一般都是采用电流积分法为基础，通过电压及其 它算法来进行校正。而电流采样的精度不高，尤其是处理电路复杂，导致量产稳 定性差。电量估算的主要问题是电池组循环后期的计量精度不高，精度误差一般 大于1 5 ，使得电量估算在循环后期无法满足实际需要。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本论文的研究背景及研究方法 目前锂离子电池组在实际的应用中由于场合多样化对管理电路的要求很高， 电池组放电过程从恒电流放电向大电流脉冲放电等多种方式变化。管理系统对于 变电流的电流计量难度加大，校正因素如果再单纯的依靠电压将无法满足需要。 状态的判断也不再是固定的条件，需要根据应用情况智能的自适应，从而更好的 提高电池组的性能及减少安全性隐患。 基于上述原因，本文就中型锂离子电池组( 4 0 a h ) 的实际应用进行了以下的 研究： ( 1 ) 在电池组状态管理方面：对电池组的能量管理和电池组的故障管理进行 了研究：详细分析了电池组不同状态下管理系统的能量消耗，提出了低功耗的系 统管理模式，考虑到了温度的影响，为管理系统的主要保护参数的自适应校正提 供了依据。 ( 2 ) 在电池组均衡管理方面，根据中型锂离子电池组的特点，以及在现有的 均衡方式的分析比较基础之上，提出了新的均衡控制电路和新的均衡控制策略， 缓减了电池组中最差性能的加速衰减，从而延长了电池组的寿命，并且减少了电 路复杂程度、体积及成本。 ( 3 ) 在电池组电量管理方面，对电池组电流采样精度、电池组电量估算算法 及各种影响因素对电量估算的影响进行了研究； 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电池组的状态管理 锂离子电池组在实际的使用过程当中，会处于多种不同的状态，根据电池组 状态的不同，管理系统也需要随之做出相应的调整，一方面根据电池组的工作与 否，来调整管理系统的工作模式，以减小管理系统的功耗；另一方面根据电池组 的运行正常与否，来进行相应的保护控制和故障报警。 2 1 管理系统低功耗的研究 锂离子电池组在使用的过程中，由于无法从外界获得电源，因此电池管理系 统的供电全部来自电池组本身，所需要的电压从电池组的最高电压转换所得。正 因为如此，管理系统的功耗大小是设计者需要特别考虑的。管理系统的功耗自然 是越小越好。在目前的管理系统的设计中，对管理系统的功耗考虑较多的是针对 系统中的核心器件的，也就是单片机的功耗。一般都是采用可以进入休眠模式的 单片机器件，来减少系统的功耗。而管理系统在正常工作过程中，单片机的功耗 只有1 0 0 r o w 左右，其它电路的功耗大约会在5 0 0 m w 以上。因此降低管理系统的 功耗，需要从多方面进行优化和改进，首先需要对管理系统的功耗进行分类研究， 管理系统的功耗主要有以下几部分组成： ( 1 ) 单片机的功耗； ( 2 ) 电源电路的功耗； ( 3 ) 信号处理电路的功耗； ( 4 ) 显示电路的功耗； 以上为管理系统的功耗主要来源，如果按常规设计，每个部分都有1 0 0 r o w 以上的功耗，尤其是显示电路的功耗，采用l e d 管显示功耗可达5 0 0 r o w 以上。 为了减小管理系统的功耗，除了选用低功耗的芯片外，要通过电路的优化来解决 功耗问题。因为仅仅选用低功耗的芯片来替换，除了增加了管理系统的成本外， 减少的功耗并不明显。只有根据系统的要求，优化控制方式，才能有效的减少管 理系统的功耗。本系统就以上4 类功耗来源进行了研究分析，并通过控制方式的 优化来解决功耗高问题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 单片机的功耗 具有休眠模式的单片机正常工作时功耗有l o o m w 以上，而休眠状态时的功 耗为3 0 0 “w 以下，差别较大。因此在使用过程中，需要状态机转换，通过状态控 制，让单片机能有效的在各状态之间进行转换。实际应用中，电池组的充电过程 以及放电过程相对于空闲时间，只是很少的一部分。如果单片机一直处于正常工 作模式，则功耗很大。因此采用了状态转换，如图2 1 所示。管理系统分为3 个 状态，全功耗模式、空闲模式以及休眠模式。3 个状态之间通过条件转换，转换 条件如表2 1 所示。当电池组无工作电流时且无保护动作存在，则电池进入空闲 模式，出现工作电流或者存在保护动作时返回全功耗模式。当空闲模式保持5 分 钟后将进入睡眠模式，用于节省功耗，当有工作电流或者睡眠模式下自放电定时 时间到时，将从睡眠模式进入全功耗模式。而当自放电定时进入全功耗模式进行 修改寄存器后，将直接进入睡眠模式，无须再进入空闲模式等5 分钟。在电池组 进入睡眠模式中，即使出现了保护动作也不进入全功耗模式，防止由于长时间搁 置，导致了电池的单体电池电压下降到保护电压。如果进入全功耗模式，将进一 步损耗电池组的能量，使得电池电压快速下降。 图2 1 功耗模式状态机 通过本文所设定的状态机转换，则可以使得电池组在大部分的非工作时间内 处于休眠模式，单片机在休眠模式下的功耗仅为2 0 0 9 w 。这样可以使得这部分 1 2 5 m w 左右的功耗减少到平均5 0 m w 以下，在长期存放过程中，这部分功耗则 可以忽略。 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 功耗模式状态机转换表 转换编号起始状态转换条件最终状态 l 缀澎黝 2 。一奎功耗模式删，”。”羌充电电流或放电瞪”。鞘7 “空闲模式“ 瓴兢五流，旦无保妒动作么：渤燃酝。：菇o j j 缓 空闲模式存在充电电流或者放全功耗模式 电电流，或者出现保护 4休眠模式充电电流或放电电流 全功耗模式 发生，或自放电时间到 2 1 2 电源转换电路的功耗 由于系统中的一些电路如运放、比较器等需要多电源工作，4 - 1 5 v 电压，而 数字器件只需要+ 5 v 电压供应。这样电池组的总电压需要转换成3 种电压，如图 2 2 所示。由于+ 5 v 是管理系统的主功耗，这部分的功耗可达到5 0 0 m v 以上。而 这些功耗是通过电池组两级转换得到的，设每级d c d c 转换的效率为8 0 ，这 样在转换电路中的功耗就达到2 0 0 m w 以上。加上其它电源的功耗，管理系统电 源模块这部分的功耗就达到了3 0 0 m w 以上。这种电源电路的功耗大，是因为每 级电压转换都有一定的效率，导致了功耗增大。因此需要对电源模块进行优化设 计，所有的电路设计统一采用了单电源供应，因为数字芯片的工作电压都是+ 5 v ， 因此电源供电选择+ 5 v 。电路中所有选用芯片采用能够单电源供应，这样也减少 了电路的成本和体积。 电 池 组 图2 2 管理系统电源模块 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 信号处理电路的功耗 由于电池组电压、电流和温度信号的采集中，需要消耗一定的功耗，这部分 的功耗约在1 0 0 m w 左右。这部分的功耗主要来自于光耦和运放，由于这些功耗 主要是用于电池组信号的采样，在整个系统循环的周期中，这些电路只工作很短 的时间，如果让这些电路一直处于工作模式，则会导致这些电路在9 0 的时间内 处于浪费能量的状态。因此在电路设计时应该加入控制，让系统处于电池组信号 采样时工作，而采样结束时则关闭该部分电路来减少功耗。系统中通过电压控制 电路的设计来控制采样电路。 当采样时，控制开关打开，给采样电路供电。采样结束后，控制开关断开， 这样可以使得该部分电路的功耗减少9 0 以上。 2 1 4 显示电路的功耗 显示部分主要有两种方案，一种是用l e d 数码管显示。这种方案的优点是接 口简单，易于控制，对电压电流的要求低，价格便宜，寿命长；缺点是只能显示 0 - 9 的数字和一些简单的字符，功耗大。另外一种是用l c d 液晶显示，优点是 能显示更多的字符和汉字，有着良好的人机界面，体积小，功耗极低；缺点是成 本高，亮度不高，不易清晰观察数据。 如果采用l e d 数码管来显示，则显示部分的功耗在7 0 0 r o w 以上。主要是显 示驱动芯片的功耗太大，虽然可以通过轮流点亮l e d 数码管的方式来减少功耗， 但是功耗仍然不小。因此从低功耗的角度出发，选用1 6 位字符型液晶l c d 显示， 则可以使功耗降到1 0 r o w 以内，可以同时显示电池组电流、电压、容量等。 2 2 故障管理的研究 2 2 1 保护值的设定 本文的故障管理系统包括电池组的过电压状态、欠电压状态、充放电过电流 状态、过温度、欠温度、低容量故障，以及单体电池的过电压、欠电压。由于电 池在使用过程中，随着温度的变化，容量、内阻会发生一些变化。因此对于电池 组如果在使用过程中采用固定的故障判断状态，则在极端温度时使得这些保护值 远大于设定的范围，导致安全性问题。 8 武汉理工大学硕士学位论文 另外，不同型号的锂电池，它的参数指标也是不一样的。本系统研究的研究 对象是由2 0 节h p 5 6 11 0 1 6 0 锂电池串联而成的电池组。单体电池的各项指标如 表2 2 所示鲫。 表2 2 单体h p 5 6 11 0 1 6 0 锂电池参数指标 序号 内容单位值备注 1额定容量a h4 0 2工作电压v3 1 5 3充电截止电压v3 6 0 4放电截止电压v2 3 0 。c 以上 5充电电流a 1 3 2恒流 6放电电流a4 0恒流 7最大放电电流a1 2 0 5 s 8重量 k g 1 3 4 4 - 0 0 1 9 内阻m q 5 1 0规格( h x w x l )n u n5 6 x 11 0 x 1 6 0 l l工作温 充电0 - - 4 5 度放电 一2 0 6 0 1 2存储温1 个月一2 0 6 0 度3 个月一2 0 4 5 6 个月 一2 0 2 5 2 2 1 1 电压保护 ( 1 ) 过电压保护 过电压有2 种，一种是电池组过电压，另外一种是单体电池过电压。过电压 的情况一般出现在充电过程中，由于本系统采用的电池的最高允许充电电压是 3 6 v ，因此单体电池过电压设定为3 6 v 。而本文的实验都是针对2 0 节串联的电 阻，充电过程中，电池组的总电压总是小于7 2 v ，因此电池组的过电压控制值设 定为7 2 v 。由于电池组充电过程一般在0 以上的环境中，且随着循环的进行， 该值变化不大，因此过电压值的设定不随着温度自适应校正。 ( 2 ) 欠电压保护 9 武汉理工大学硕士学位论文 欠电压同样分为单体电池欠电压和电池组欠电压，电池组的容量在不同温度 条件下，放电区间不一样，因此单体电池过充电、过放电保护电压的值也应该有 所变化。如果按照同一个保护值，在低温下电池组将很快处于保护而放不出容量。 因为低温下电池组的电压下降很快，因此放电截止电压也将作出相应的调整，同 样保护值也需要降低。系统中单体电池的过充电和过放电电压以及电池组的充放 电范围都随着温度进行变化。电池在不同温度下的曲线差异较大，如果统一设定 放电截止电压为2 3 v ，则在2 0 时，电池组放出的容量太少，因此电池组的过 电压和欠电压设定值需根据温度自适应校正。 在0 以上时，电池组放电终止电压设定为5 4 v ，单体电池放电截止电压设 定为2 3 v ，电池组欠电压保护值设为5 8 v ，单体电池欠电压设为2 5 v 。而在电池 组处于1 0 环境时，电池组放电终止电压设定为5 2 v ，单体电池放电终止电压设 为2 2 v ，电池组欠电压保护值设为5 6 v ，单体电池欠电压设为2 4 v 。电池组处于 2 0 1 0 环境时，电池组放电终止电压设定为5 1 v ，单体电池放电终止电压设 为2 1 v ，电池组欠电压值设为5 5 v ，单体电池放电终止电压设为2 3 v 。电池组及 单体电池的欠电压随着循环的进行变化较小，为了简化控制，因此所设定的值也 只随着温度自适应校正。 图2 3 电池电压保护状态机 ( 3 ) 电压失效保护 电池组在运行过程中会出现单体电池电压过低的情况，这样的状态被定义为 无法恢复的故障状态。当单体电池的电压低于设定的值时，可能出现电池短路或 者存放时间过久导致电池失效等，系统认为电池组处于不可恢复的故障状态，输 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 出故障代码并关闭所有控制开关。电池组电压保护采用了状态机转换，状态机如 图2 3 所示，各状态转换的触发条件如表2 3 所示。 表2 3 电压保护状态机转换条件 转换编号起始状态转换条件最终状态 1i f 鎏常状态1 = ：= 竺竺嚣竺妻过电压状态鬟 魏纽燃l 锄黝；渤荔z 黝巍么貔么黝貌缀磊锄巍燃护稍电地俎碍赳阪疋埠：磊燃勉纽渤么锄鑫黝；貔锄滋 2过电压状态 单笔轰鎏德季萋套藿且 正常状态 爹黝黝嬲3 嬲黝猁黝嬲黝燃i 署e 荔琵虿钵电池警蘸于谩警嬲i 幂磊嚣翮 鬟常状态中什雌警。狄比不可恢复状态秀 i 缴l 缀缓糍l g i 1 。翰s 渤幺磁g 自；红蚴锄g 轻沈耽“；奄巍；“矗蟛! 渤兹：磁g 滤磊；五f 一 。、 咀舢，；。? 蠢：，磊凌施蒌蠡臻疡l g 旁彩施糍巅蠹么螽貔磊缓 4正常状态 单体电池电压低于欠电 压设定值或者电池组电欠电压状态 6欠电压状态 压低于设定值 体电池电压高于 恢复值且电池组 高于欠电压恢复 单体电池嘎乒低于设定 不可恢复状态 值 1 ”。队灭叭心 2 2 1 2 电流保护 ( 1 ) 过电流保护 电池组过流将会导致电池的温度上升，从而产生热失控，导致安全性问题。 在实际使用过程中，常出现电池组循环寿命结束后仍然在使用的情况，因此当电 池组的容量衰减为5 0 时，1 c 的工作电流将成为2 c 的电流。如果过流保护的设 定值不变的话，将可能导致电池组因大电流工作从而热失控。因此系统中把过流 保护值和电池的容量相结合，根据电池组实际的f c c 寄存器来自适应校正，大大 减小了电池组的安全隐患。系统工作电流为4 0 a ，电池组初始容量为4 0 a h ，因此 设定过电流保护值为2 5 c ，即1 0 0 a 。在随着循环的进行中，过电流保护值为工 作电流的1 2 倍到2 5 倍之间变化，即4 8 a 到1 0 0 a 之间，通过容量的2 5 倍来设 定过电流保护值。由于容量的值考虑到了温度的影响，因此电流保护值也同样随 着温度进行自适应校正。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 电流保护状态机 ( 2 ) 短路保护 短路保护也是通过检测电流的快速增长，当电流增长超过电池组f c c 的3 倍以上时判定为短路保护，从而关闭充电控制和放电控制。电流保护的状态转换 图如图2 4 所示，状态转换条件如表2 4 所示。 表2 4 电流保护状态机转换表 转换编号起始状态转换条件最终状态 貔搋锄磊酝缸毙磊锄。；貔貔麓黝貔钇；纛黉豁裁减逝鹦渡套纛蓼嚷滴瓣塞巍。淼醢辨境状态纛蠢磁 2 过电流状态电流小于过电流设定值正常状态 携黪麓獬移笏缪# 劳学”。嗽* 删絮笋翌掌移磁磐彩殇绨弼鬻翳移谚们竹9 予静鬻躺2 掣舻。 。”5 。”4 7 节零镬磐鲈8 5 7 缈7 。 。 哆铹2 笏 貔纛磁锄盛澎i 渤么；& 锄。么彩黝瑗费龄荔磊旋黝渤躲；廖遮本嬲谚摩簇“荔施磁i 蕊磷菸鹜。遗瀚 4短路状态 电流小于短路设定值正常状态 2 2 1 3 温度保护 ( 1 ) 过温度保护 电池组的工作范围在2 0 和6 0 之间，而电池组的安全性主要原因是热失 控，因此为了保证电池组的安全，电池组的温度控制非常关键。电池组中采用3 个温度传感器测试温度，取其中的温度最大值。然而由于温度传感器测试的温度 和电池内部的实际温度有一定的相差，所以在温度控制过程中需要严格的控制。 根据实际测试，电池组在充放电过程中，i c 放电电池温度上升约2 左右，2 c 放电电池温度上升约4 左右。因此电池组的过温度设定为6 0 ，解除温度保护 为5 5 。 ( 2 ) 低温度保护 为了电池组的正常工作，电池组低温度保护设定为2 0 ，解除温度为1 5 c 。 由于随着循环的进行，电池组的内阻增加，导致工作过程温度上升和循环前期相 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 比，只有温度上升，更安全，因此低温度保护值不变化。温度保护的状态机转换 如图2 5 所示，状态转换条件如表2 5 所示。 图2 5 温度保护状态机 表2 5 温度保护状态转换条件 转换编号起始状态转换条件最终状态 影。 1 正常温度，温度大予设定温度值。7 过温度“霪 缓酝磁茏象磊赫蠹么鳓鳓缸蒯藤磊磁彩彩渤缓施磁酝盏巍靴。，越籀妊赢施施荔i 兢幺，一瞧意，。一嘶 ， ，；、，蕊荔锄霸么勿i 施w ，二、，旃盎澜 2 过温度 温度小于设定解除温度值正常温度 雾獬絮誓驴絮黔髑缘孺幕濂震5 猢缵矽宇矽漩度低孚：镬惫箍度疆嬲缈移缪猡德漩度? 器镌 缀魏淼磊绷蕊砌刎渤积，缘德始瓣渤蠹嚣麓勃渤荔渤施旒，函磁蕊蕊籀磁锄，一，二幺一& l i 磊施彩鳓女彩，、缀i 参滋 4 低温度温度高于设定解除温度值正常温度 2 2 2 故障状态的研究 目前电池组的故障状态研究仅用故障指示灯显示n 们，为了更好的了解故障 状态，以便更快的解除故障状态，本系统中采用了故障代码的方式。通过故障代 码对应于故障编号，并同时输出故障指示灯。 表2 6 故障状态表 故障代码故障类型充电控制放电控制是否可解除 0 2 电池组欠电压开关可 鏊霪滋黪纛蕤薹鬟纛菇奄瞧鬼魂鍪瑟磊焘冀笺鬃褫琵蚕瑟鍪笺鬟裹：i 霪瀚 0 4 过放电电流开关可 鬣每彰荔荔夏譬嚣澡震2 霪笺戮鬟瑟罴至覆震熏囊瑟霪瑟夏戮簇毳霞溺 0 6低温度关 关可 鏊j 峨j 蚕琵笼霪薹了攀裕邀池莲蘸瑟瑟琵鬈鬟蓊琵瑟震獯震霪蓊纛霪震爱篱荔毳霾霪霾 0 8单体电池欠电压开 关可 戮琵眵：戮霪薹三荔l i 。每踌：纛鬣滋瑟三滋篓黧麓戮篡戮鬣嚣纛鬟溺 l o单体电池电压过低关关不可 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 如表2 6 所示，电池组的故障除了上述保护的电压、电流和温度外，还增加 了一个电池组的低容量警报，当电池组的容量低于满容量的1 5 时，发出低容量 警报。当电池组容量低于满容量的5 时，关闭放电控制，保持一段时间后单片 机处于休眠模式。电池组在正常工作条件下，故障状态系统不起作用，当故障状 态表中任一故障发生时，将停止电池组的充电或放电行为，故障灯亮，同时输出 故障代码。同时判断故障状态是否解除，当故障状态解除后，系统恢复正常。故 障状态和故障接触状态之间有一定的差值，防止由于电池组内阻引起的电压降导 致振荡现象。 2 3 本章小结 对管理系统中的低功耗进行了研究，把管理系统中的功耗按功能进行了分类， 并分别采用了优化的方法来减少功耗。使得管理系统的功耗得到降低，提商了管 理系统的功能。 对管理系统中的故障管理进行了研究，电池组保护值的设定都根据温度进行 自适应校正，这样能有效减少由于保护设置不当导致的安全问题。且对故障状态 进行了状态机设计，使得故障状态可以根据条件进行恢复。同时针对故障进行了 故障编号，在电池组发生故障时，在输出故障灯的同时输出故障编号，使得维修 方便，可以及时知道故障来源。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电池组均衡管理的硬件电路 如本文第一章所述，现在的均衡方法很多，各有优缺点。本文所要设计的均 衡控制方案，则要求在保证效率的基础上，在硬件和软件的实现上有更好的操作 性。 从锂电池的不一致性分析和充放电过程可知1 ，电池组的容量和寿命的缩 短主要是由电池的充电不均衡造成的。电池组使用初期，单体电池间容量存在一 定的差异，整组充电时容量小的电池会首先被充满，此时电池充电并未结束，小 容量的电池则会被过充，容量减小。放电时，小容量电池又会首先放完电，由于 电池组仍在放电，小容量电池会过放，容量进一步减小。在这样的使用过程中， 容量小的电池一直处于恶性循环中，恶化到一定程度，就会严重影响整组的性能。 因此，如果在电池组的使用初期，在充电过程中实现充电电压的均衡，同时设置 单体电池的放电电压下限，就能有效地防止电池组的过充过放问题，从而延长电 池的寿命。 通过上述分析，本文采用充电均衡控制方式，即采用主、辅充电结合的均衡 模块实现充电控制。 30 1 均衡电路设计 3 1 1 指导性原则 鉴于以上对现有均衡电路原理的分析，综合本文的研究目标，本文提出以下 几点作为均衡电路设计的指导性原则。 可扩展性n 2 1 电池组以电池单体串联构成，不同电池组有着不同的单体数量。鉴于电池单 体是单独存在并且可通过串联来扩展，所对应的均衡系统应该是可与之配套并且 也应该是可扩展的。只有均衡系统具备了可扩展的特性，才能够适用于各种单体 数量不同的电池组。否则，将不得不为不同的电池组设计类似的但是规模不同的 电路，造成现有资源的浪费，也不利于产业化。扩展均衡系统而带来的额外工作 量应该与对电池单体进行串联相近。分析以上可扩展性的要求不难发现，可扩展 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 均衡系统的单位实现体积和重量也应该和电池单体相近。否则，随着组中单体数 量的增大，扩展将变得越来越困难。就算可以扩展，也会因为过于笨重而失去实 际的使用价值。 组电压无关性 对于目前1 0 到2 0 节单体的中型动力电池组，其组电压大大超过均衡电路数 字和模拟部分的工作电压。因此，在功率电路和模拟、数字电路之间采用某种方 式的隔离将显得十分必要。此外，系统的可扩展性同样要求降低均衡电路和组电 压之间的关联。即均衡电路不能假定其工作的组电压，应能通过扩展工作于任意 数量的组电压之上。当然，组电压的无关性应该建立在一定范围之内，例如所采 用的隔离器件所能提供的隔离电压，绝对的电压无关是不可能的。 高效性 首先，“均衡充电 和“独立充电n 3 h 这两个概念应该有所区别，这一区 别在于充电的效率。采用可为单节电池充电的系统，分别顺序地将串联电池组内 的每个单体充满，其结果与采用均衡充电系统是相同的，但是所需要的时间不令 人满意。设计均衡充电系统的目的，应该是在有限的时间内完成对组中单体的均 衡。如果不能达到和传统串联充电所用的时间相同，至少也应该将充电时间限制 在一个可以控制的范围内。其次，对组中充电状态较高的单体进行放电，使其多 余的的电量通过热能的形式耗散，也可以达到均衡的效果。但是在能源利用效率 日趋得到重视的今天，这样的方式将变得不被接受。高效的均衡系统必须是一个 对充电能量无耗散的系统。 实用性 设计串联电池组均衡系统的目的很大程度上在于提高电池组的可用性，而电 池组的可用性又很大程度上取决于电池组的循环寿命。如果均衡系统本身的生产 成本和售价远高于电池组，那么重新购买一组电池将远比使用均衡系统来得实用。 因此，良好设计的均衡系统应能在有限的成本内最大限度地提高电池组的循环寿 命和可用性。 实用性的另一个方面还应体现在被均衡对象的特性上。通常情况下，被均衡 的电池组应该是可以正常使用，并可以被均衡的。这就意味着，组间不应存在无 法被均衡的单体，并且在均衡时单体间的差异不会很大。如果因为考虑单体问存 在巨大差异或者无法被均衡的特例，而为系统的实现增加了过多额外的成本，也 是不实用的做法。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 电路基本拓扑结构 基于研究目标和以上提出的均衡系统设计的指导性原则，本文所设计的均衡 控制方案，其基本拓扑结构如图3 1 所示。其中，虚线框表示一个模块化的开关 单元( s w i t c hu n i t ) 。在电池单体的相互连接处，分别接入一个这样的开关单元。对 于第n 个电池单体b n 。通过闭合开关s a ( n + 1 ) 和s b n ，并保持其他单元开关打开， 可将这一单体选中进行单独充电，从而实现均衡充电的功能。 3 2 均衡电路的设计 3 2 1 电子开关的选用 图3 1 均衡系统拓扑结构图 功率开关单元的核心是电子开关，其选用应该遵循均衡电路设计原则中的实 用性。本文通过分析各种常见的电子开关的特性，给出了其在均衡电路中使用的 参考意见。 ( 1 ) 电磁式继电器( m e r ) 传统的电磁式继电器依靠电磁铁吸合其内置的机械开关，从而实现大信号的 驱动。这种机制需要几十毫安的驱动电流来闭合开关，对控制电路的驱动能力有 一定的要求。此外，机械式的开关也导致开关噪声的增加以及开关速度的减慢， 同时其开关寿命在1 0 6 的数量级上，实际使用中必须考虑n 卯。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 机械式继电器的优点在于导通时管压降很小，并且可以以较低的成本实现较 高的耐压。因此，这类电子开关适用于成本敏感、对组电压有较高要求，但是对 均衡的时间效率要求不高的场合。 ( 2 ) 固态继电器( s s r ) 这类继电器是利用电子元件的开关特性制造的，其特点是干扰小，开关速度 快，同时具备1 0 8 - - - , 1 0 9 级别的开关寿命，是机械式继电器的几百倍。并且，相对 于机械式继电器，其驱动电流较低，可以实现低功耗的控制。但是，因为采用电 子元件作为开关，相同容量、耐压的固态继电器的体积和成本会大于机械式继电 器。而在导通时，其内部的开关管上的管压降也会变得比较大。所以，此类元件 适合应用在充电电流在1 0 a 以下，但是对开关可靠性、隔离性以及开关次数要求 较严格的场合，同时应有充裕的成本预算。 ( 3 ) 功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 功率场效应管是一类通过电压控制电流的器件，所以其控制功耗极小。目前 这类器件广泛地运用在各类开关电源中，其开关频率可高达1 0 6 的数量级，因此 其开关寿命在均衡应用中不需要考虑，而其开关速度可达到微秒的级别，是十分 理想的开关器件。 需要注意的是，m o s f e t 本身是非隔离器件，因此需要额外的隔离和保护电 路。此外，随着其源一漏反向击穿电压b v d s s 的提高，其导通电阻r a s ( o n 、不能相 应地减小，导致6 0 0 v 以上的高压功率m o s f e t 所能承受的电流较低压的普通功 率m o s f e t 有较大的缩水，并且成本也会相应升高。 此类器件成本相对低廉，适用于2 0 a 2 0 0 v 以下、对开关的速度和寿命都有 较高要求的场合，并且还需要考虑因为对其隔离和保护所带来的额外成本开销。 对于不需要隔离的小规模、小功率均衡应用，m o s f e t 还可以集成进芯片内部， 为手持设备等提供单芯片的电池组均衡管理解决方案n 们。 ( 4 ) 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) i g b t 属于第三代功率器件，也是电压控制型的元件，同时具备输入阻抗大， 驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高等理想开关 器件的优点。目前可在5 0 a 6 0 0 v 的工作参数上起步。 类似于m o s f e t ，i g b t 同样也需要外接隔离和保护电路，并且较之m o s f e t 稍显复杂。虽然成本较高，但是相对于同等级功率容量的电池单体，采用其作为 武汉理工大学硕士学位论文 均衡系统的电子开关还是有一定性价比的。i g b t 适用于对电动汽车等高组电压 大功率串联电池组大倍率快速均衡充电的场合n 6 1 。 当然，诸如达林顿管等其他功率开关器件也可作为均衡电路的电子开关使用。 并且，随着电子技术的不断发展，越来越多的功率开关器件将出现。这些元件的 开关速度、额定功率等特性将越来越高，应能更大程度地满足均衡系统的要求。 而其成本是否符合实用性的基本原则，将成为主要的考虑因素。理想的均衡系统 电子开关，和其所对应的电池单体的成本，应在同样或者更低的级别之上。 3 2 2 基于场效应管构建开关单元 本文选用m o s f e t 作为电子开关的主要元件，对其进行驱动信号的藕合隔离 及保护，从而实现开关单元的功能。场效应管的开关驱动要求由m o s f e t 原理， 其上通过的电流i d 由公式3 1 决定m 1 ： i d = 喝m 广韵 s 一吩 u j j 对于某一特定型号的器件，其增益因子k 、阈值电压已经确定。当其上需 要通过某一特定的充电电流易时，对于其驱动电路来说，应尽量提高其栅源电压 s ，使得需要加载在其源一漏之间的管压降s 尽可能的小，从而接近一个理想 的开关。但是值也不能无限增大，对应于现有产品的数据手册，其一般取值应控 制在2 0 v 以内，否则会造成其栅极击穿。当s 小于阈值电压v t 时，场效应管于 截止状态，相当于开关关闭。一般地，驱动电路应能将s 拉至零电位甚至负电位， 以实现开关的可靠关闭。 ( 1 ) 场效应管实现的开关单元 功率m o s f e t 多为增强型，并且分为n m o s