（电力电子与电力传动专业论文）锂动力电池组智能充电、保护电路的研究.pdf

安徽理， 大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho f t h ec h a r g e & p r o t e c t i o nc i r c u i to fl i t h i u mi o np o w e rb a t t e r yi sb a s e d o nd e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp o w e rm o t o ra n ds i t u a t i o no fr e s e a r c hi na b r o a d f i r s t l y , d i s c u s ss i t u a t i o no fr e s e a r c ho ft h ec h a r g e & p r o t e c t i o nc i r c u i to fl i t h i u mi o np o w e r b a t t e r yi na b r o a d , i n t r o d u c el i t h i u mi o np o w e rb a t t e r ya n di t sm a n a g e m e n ts y s t e m s e c o n d l y , t h i s a r t i c l ec l o s e l yw i t ht h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r so fs m a l la n dm e d i u m s i z e d p o w e rt o o l sb a t t e r yp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，c a r r i e do u tt h ew h o l es y s t e mh a r d w a r ep r o g r a m ， d e s c r i b e dv a r i o u sp a r t so ft h ec i r c u i tt o p o l o g ya n df u n c t i o n f o rm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h p o w e rf a c t o ra n di m p l e m e n t a t i o no fa d v a n c e dc h a r g ec o n t r o ls t r a t e g y , t h es y s t e ma d da c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tb e f o r es w i t c h i n gp o w e rp a r t i n t r o d u c et h ef u n c t i o n a lu n i to ft h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dd e s i g no fe m ci nc h a r g eo ft h ed e s i g np a r t , a sw e l lt os o m eo ft h em a j o rc i r c u i t c o m p o n e n t sa n dc h i p ss e l e c t i o np r o c e s si nd e t a i l i n t r o d u c et h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fv a r i o u s p r o t e c t i o ni np r o t e c t i o no ft h ed e s i g np a r t c r e a t eo w nm e t h o do nt h ec a l c u l a t i o no fr e m a i n i n g c a p a c i t y , a n di m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o ni n t e rs y s t e mu s eo fs m b u s f i g u r e3 5 t a b l e3r e f e r e n c e51 k e yw o r d s ：i r o np h o s p h a t e - l i t h i u mp o w e rb a t t e r y ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；r e m a i n i n gc a p a c i t y ； s m b u s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 3 0 3 + 3 i l 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徼堡王太堂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 表示谢意。 撇黼张址吼甲j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于趟 理至太堂。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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：挛凡舀 、1 导i 师签名：今雄 辩嗍：1 椭h 签字日期：可年月1 日 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着全球汽车数量的不断增加，燃油汽车的尾气排放所造成的温室效应与空 气污染日益加剧，有资料表明【l 】，当今世界的机车每年向大气排放约2 亿吨有害气 体，占大气污染总量的6 0 以上，机车排放污染已成为当今大气最大的污染源， 在这些汽车废气当中又存在着大量对人体有害的物质。这些有害物质不断造成人 们的呼吸道疾病以及生理机能障碍。同时其中所含的多种致癌物质进入人体会产 生持续刺激从而引发癌症。汽车的另一种污染为噪声污染，人长时间处于噪声超 过安全标准的环境中，身体健康就会受到不同程度的损害。而且石油是不可再生 的能源，终有枯竭之日，目前能源短缺问题越来越严重。我国的石油资源是相当 缺乏的。2 0 0 0 年原油产量1 6 亿吨，进口原油0 7 3 亿吨，成品油0 3 亿吨，用汇 2 5 0 亿美元。预测到2 0 1 0 年，原油需求3 6 亿吨，国内产量2 亿吨，进口1 6 亿吨， 这意味着4 5 要靠进i = 1 1 。而且石油的匮乏已经成为一个全世界的难题。 因此近年来，世界各国纷纷投入大量人力、物力来解决燃油机车的带来的环 境污染和能源紧张的问题，开发电池动力机车就是其中很重要的一个项目。因为 为电动机车提供动力的是电池，电池中的电能可以来源于风能，水能，太阳能等 可再生的，清洁环保的能源。而且电动机的效率比内燃机高，运行时产生的噪音 比内燃机要小。我国政策对电动机车也是给予大力扶持，国家科技部已经从战略 高度把开发电动汽车作为“十五”重大科技攻关项目 2 1 。 目前在我国各城市电动自行车和电动摩托车都已经相当风靡，但电动汽车的 发展还处于研究阶段，汽车本身的结构比较复杂，对性能要求比较高等固然是其 中原因，但电动汽车的能源提供部分一电池，由于其成本高、寿命较短，一次充 电后行驶里程不理想，并且容易出问题等因素，成为制约电动汽车发展最大瓶颈。 因为市场上普遍使用的是阀控密封铅酸蓄电池，这种电池有工艺相对简单，成本 低廉的优势。但是铅酸电池本身体积大，质量重，比能量低，循环使用次数也比 较低( 实验室数据可以达到3 0 0 次，但实际使用中一般只能达到8 0 - - , 1 2 0 次) 3 1 。 另外，铅酸电池制造材料中的铅对环境会产生高度的污染，这也违背了人们要求 环保的初衷。由于铅酸电池本身特性的限制，决定了铅酸电池不可能应用到电动 汽车领域，在电动自行车，电动摩托车上的应用也会被高性能，环保的电池所替 代。就在最近几年以锂离子做正极材料的动力电池有了很大的发展，根据正极化 合物的不同，锂动力电力电池也分为很多种类( 具体介绍见第二章) ，到底哪种 安徽理工大学硕士学位论文 材料更适合在电动机车领域规模化的应用，还有待实践的考证。但是根据现在试 制的电动汽车的试行数据来看，电池环节是最容易发生故障的部分【4 】。 所以，电池的充电电路和保护电路应该因为不同电池的不同特性而不同。目 前锂动力电池没有在市场大规模的应用，其自身的特性有待于提高固然是一个方 面，另外就是电动机车的充电电路和保护电路并没有因为电池不同而进行细致的 划分。电池充电电路和保护电路的改善可以有效的减少或者避免电池故障的发生， 有利于合理的使用电池，提高电池的使用寿命，保障人的生命安全；有利于高效 的使用电池，使电池有限的能量尽可能的不被消耗，节约能源；有利于人性化的 使用电池，能够对电池使用状态有直观的了解。总的来说，锂动力电池组充电与 保护电路的研究对锂动力电池尽快的走向大规模应用有积极的推动作用，对电动 自行车，电动摩托车所用的铅酸电池组的更新换代有实际参考价值，对电动汽车 的研发也在一定意义上起到积极作用。 1 2 国内外研究现状 国外对电池管理系统研究已有几十年了，并取得了一定的成果，其中比较有 代表性的有：德国m e n t z e re l e c t r o n i cg m b h 和w e m e rr e t z l a f f 为首设计的 b a d i c h e q 系统；德国的b h a u c k 设计的b a t t m a n 系统；美国通用汽车公司 生产的电动汽车e v l 上的电池管理系统；美国a e r o v i r o n m e v t 公司开发的 s m a r t g u a r d 系统；美国a cp r o p u l s i o n 公司开发的名为b a t o p t 的高性能电池管理 系统；此外本田、西门子等公司也都研究出他们的电池管理系统。下面介绍几种 电池管理系统的特点【5 】【6 】【7 j ： ( 1 ) b a d i c h e q 系统 能同时对2 0 个电池单元进行电压测量； 能进行电流和温度测量； 能根据电池单元对主充电机的充电电流进行控制； 能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电； 能储存历史数据和与p c 机进行数据通信； 在仪表盘上显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量 以及各种异常报警。 ( 2 ) b a d i c o a c h 系统，b a d i c h e q 系统的改进版本。 2 绪 论 在每个电池单元上加一个非线性电路来测量电压，并将一个电池组的 八个单元电压都通过一条信号线传递给b a d i c o a c h 系统，并在那里 解码： 装有两条p w m 信号输出线来控制充电电流和电压的大小： 最差电池单元的剩余电量被显示出来； 给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号： 与p c 机数据传送采用r s 2 3 2 标准。 ( 3 ) s m a r tg u a r d 系统 在电池上装有一个分布式的管理装置( 用了专用i c ) 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。 过充检测并防止过充； 提供放电极性反向报警； 电池历史记录和归档； 提供最差电池单元的剩余电量信息。 ( 4 ) b a to p t 系统 b a to p t 系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一分布式系 统。通过t w ow i r e 总线，监控模块向主控单元传送电池电压、温度及状 态等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略， 同时提供显示屏来显示系列状态信息，通过r s 一2 3 2 进行数据记录。它 的主要特点是在充，放电过程中实现动态平衡。 我国国内针对电池管理系统，仍然处于起步阶段。目前主要是一些高校，依 托自己的科技优势，联合一些大的生产商和电池供应商共同开展研究，有一些项 目已经取得了丰硕的成果1 8 1 9 1 。清华大学为e v 6 5 8 0 轻型电动客车配套的电池管理 系统。可以在行驶过程中可对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监 控，防止过充电、过放电，提高了电池寿命和效率，同时还开发了与该系统相匹 配的充电系统。同济大学和北京星恒电池有限公司的锂离子电池管理系统主要功 能有电流电压及电池模块温度的采集，s o c 估计，自动均衡，事故处理与记录等 等。北京航空航天大学研制的镍氢电池管理系统主要功能有：电流电压及电池箱 温度的采集，s o c 估计，运行状态判断和保护功能等。 3 安徽理i i ：大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 设计4 8 v 1 0 a h 磷酸铁锂动力电池的充电保护电路，应用与电动自行车或者 电动摩托车，为电动车电池的更新换代( 以磷酸铁锂电池替代铅酸电池) 提供现 实根据，同时为磷酸铁锂电池在更大功率方面的应用( 如电动汽车) 提供一些经 验。 所用电池组具体参数为： 工作电压：4 8 v ，由1 5 节单体电池串联 容量：2 0 a h 最大允许充电电流：2 0 a 最大允许放电电流：2 0 a 工作温度：0 - - - 5 0 度 所设计的充电保护电路需实现以下功能： 充电功能 安全保护功能( 过压，过流等) 电池状态监测( 电压电流温度容量等) 通信功能 4 2 锂动力电池 2 锂动力电池 2 1 锂动力电池简介 动力电池就是可以相对长时间使用，并提供可观功率的能量存储体。目前， 市场上普遍应用的动力电池类型是阀控密封铅酸蓄电池，这种电池有工艺相对简 单，成本低廉的优势。但是铅酸电池本身体积大，质量重，比能量低，循环使用 次数也比较低。另外，铅酸电池制造材料中的铅对环境会产生高度的污染，这也 违背了人们要求环保的初衷。所以锂动力电池作为铅酸电池的更新换代品被人们 发现。 可以说锂动力电池的前身是锂离子电池，锂离子电池是2 0 世纪9 0 年代成功 商业化的二次电池i l o ，其有着比容量高，体积小，质量轻的优点。但是只在便携 式电子设备中实现了大规模的应用。因为锂离子放电电流不能过大，否则会有燃 烧，爆炸的安全隐患。正是由于这个原因，因为动力电池需要提供较大的功率( 电 动自行车的电机一般为2 0 0 w 以下，电动摩托车一般为3 0 0 , - - 4 0 0 w ，而电动汽车要 求就更高，基本要在1 5 - - 4 0 k w ) ，所以锂离子电池一直没有完全的进入动力电池 领域。 但是锂动力电池并不是便携设备所用锂离子电池的简单放大。锂动力电池除 了要在容量上达到动力要求外，还需要在保证大功率供电的同时，保证供电的可 靠性，稳定性，以及电池本身的安全性。所以并不是大容量的电池就是动力电池， 动力电池在制造工艺，材料构成上与普通锂电池是有很大差别的。绝对不是便携 电池的简单放大。 在技术层面上讲【1 2 】1 1 3 】，锂电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和 性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、 负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的 正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材 料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一 步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正 极材料的成本大约占整个电池成本的4 0 左右，正极材料价格的降低直接决定着 锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂 离子电池大约只需要5 克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力 电池可能需要高达5 0 0 千克的正极材料。 衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估： 5 - 安徽理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压； ( 2 ) 锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容 量： ( 3 ) 在锂离子嵌入和脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小 发生变化，以保证电池良好的循环性能； ( 4 ) 正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入脱嵌过程中变化应尽可能小，使电 池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电； ( 5 ) 正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电； ( 6 ) 正极不与电解质等发生化学反应； ( 7 ) 锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电； ( 8 ) 价格便宜，对环境无污染。 锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有l i c 0 0 2 ， l i n i 0 2 ，l i m n 2 0 4 ，l i f e p 0 4 和钒的氧化物等。 ( 1 ) l i c 0 0 2 在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的l i c 0 0 2 作为正极材料。 其理论容量为2 7 4 m a h g ，实际容量为1 4 0 m a h g 左右，也有报道实际容量已达 1 5 5 m a h g 。该正极材料的主要优点为：工作电压较高( 平均工作电压为3 7 v ) 、 充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产 工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有 待进一步提高。 ( 2 ) l i n i 0 2 用于锂离子电池正极材料的l i n i 0 2 具有与l i c 0 0 2 类似的层状结构。其理论容 量为2 7 4 m a h g ，实际容量已达1 9 0 m a h g - - 一2 1 0 m a h g 。工作电压范围为2 5 - 4 2 v 。 该正极材料的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容 性，与l i c 0 0 2 相比价格便宜等。但l i n i 0 2 具有致命的缺点：l i n i 0 2 的制备条件 非常苛刻，这给l i n i 0 2 的商业化生产带来相当大的困难；l i n i 0 2 的热稳定性差， 且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；l i n i 0 2 在充放电过程中容易发生 结构变化，使电池的循环性能变差。 ( 3 ) l i m n 2 0 4 用于锂离子电池正极材料的l i m n 2 0 4 具有尖晶石结构。其理论容量为1 4 8 m a h g ，实际容量为9 0 - - - 1 2 0 m a h g 。工作电压范围为3 - - - - 4 v 。该正极材料的主要 优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不 6 2 锂动力电池 高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的 过程中，材料容易发生晶格畸变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下 使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰 氧化物l i m n 0 2 。该正极材料的理论容量为2 8 6 m a h g ，实际容量为已达2 0 0 m a h g 左右。工作电压范围为3 4 5 v 。虽然与尖晶石结构的l i m n 2 0 4 相比，l i m n 0 2 在 理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结 构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变 化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。解决这些问 题的办法是对l i m n 0 2 进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。 ( 4 ) l i f e p 0 4 该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。 其理论容量为1 7 0 m a h g ，在没有掺杂改性时其实际容量已高达1 10 m a h g 。通过 对l i f e p 0 4 进行表面修饰，其实际容量可高达1 6 5 m a h g ，已经非常接近理论容量。 工作电压范围为3 2 v 左右。与以上介绍的正极材料相比，l i f e p 0 4 具有高稳定性、 更安全可靠、更环保并且价格低廉。l i f e p 0 4 的主要缺点是理论容量不高，室温电 导率低。 表l 列出了不同锂离子电池正极材料性能比较。 表1 锂电池正极材料性能比较 t a b l e1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n tp o s i t i v em a t e r i a l 正极材料 理论容量( m a h g ) 实际容量( m a h g )工作电压 安全性能成本 l i c 0 0 22 7 41 4 0 1 5 03 7一般高 l i n i 0 22 7 41 9 0 - 2 l o2 5 _ 4 2 差 中 l i m n 2 0 41 4 89 0 1 2 03 o - 4 0 好低 l i m n 0 22 8 62 0 03 _ 4 5 好低 l i f e p 0 41 7 0l l o 一1 6 53 2很好低 从以上资料知道，l i f e p 0 4 表现出最高的安全性能，目i j 的实际放电容量已达 理论容量的9 5 左右。价格便宜、安全性高、结构稳定、无环境污染等优点，被 认为是锂动力电池中极有希望的候选正极材料。 一7 一 安徽理i ，人学硕十学位论文 2 2 磷酸铁锂动力电池 磷酸铁锂电池1 内部结构如图1 所示。左边是橄榄石结构的l i f e p 0 4 作为电 池的j f 极，由铝箔与电池难极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开， 但锂离子l i + 可以通过而电子e 。不能通过，右边是由碳( 石墨) 组成的电池负极， l h 铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之蜘是电池的电解质电池由会属外壳 密闭封装。 正极 国 j 电质 | 街化物 聚合物隔目尸负极 碟t 石墨) 图1 磷酸铁锂电池内部结构 f l a git h ei n t e r n a ls t r u c t u r e o f l i t h i u mi mp h o s 口h a l e 磷酸铁锂电池单节性能：标称电压是3 2v 、终止充电电压足3 6v 、终止放 屯压是2l v ，单位质量能量是6 1 n 7 5w k g ，单位体积能量是2 2 0 - 2 4 0w 几。通过 实验，l i en , l t 3 1 ( 1 ) 高效率输出：标准放电为2 5 c 、连续高电流放电可达i o c ，瞬间脉冲放 电( 1 0 s ) 可达2 0 c ； ( 2 ) 高温时性能良好：外部温度6 5 ( 2 时内部温度则高达9 5 ，电池放电结柬 时温度可达1 6 0 c ，电池的结构安全、完好； ( 3 ) 即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好； ( 4 ) 极好的循环寿命，经5 0 0 次循环，其放电容量仍大于9 5 ； 2 锂动力电池 ( 5 ) 与铅酸电池相比，可快速充电( 2 c 电流) ；体积小、重量轻，同等规格 容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2 3 重量是铅酸电池的l 3 ；对环境 无污染。 磷酸铁锂电池的缺点： 磷酸铁锂电池的低温特性不佳，随着温度的降低容量会有较大的下降。实验 数据说明，如果在2 3 时放电容量为1 0 0 ，则在o c 时的放电容量降为7 8 ，而 在2 0 时降到6 5 。 从对比特性上看，磷酸铁锂电池的安全性能最好，工程造价在几种材料中也 最便宜。从已经做过的实验研究看，磷酸铁锂电池也完全符合或者达到了动力电 池的要求，充电时间大量缩短，放电电流大，循环寿命长。虽然目前还有低温特 性差的缺点，但从目前来讲，磷酸铁锂电池在动力电池领域是最有希望大规模市 场化的电池。该电池可应用于以下范围： ( 1 ) 大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等； ( 2 ) 轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清 洁车、电动轮椅等； ( 3 )电动工具：电钻、电锯、割草机等； ( 4 ) 遥控汽车、船、飞机等玩具； ( 5 ) 太阳能及风力发电的储能设备； ( 6 ) u p s 及应急灯、警示灯及矿灯； 2 3 本章小结 本章简单的锂动力电池的发展，分类，比较了不同j 下极材料锂电池的特性。 然后对本文研究对象的主体磷酸铁锂的性能与实验数据进行了特别的介绍。 9 安徽理工大学硕士学位论文 3 动力电池组电池管理系统 3 1 电池管理系统简介 电池管理系统【1 4 】【1 5 1 简称为b m s ，主要实现对电池组和电池单元运行状态进行 动态监控，精确测量电池的剩余容量，同时对电池进行充放电保护和安全性保护， 并使电池工作在最佳状态的功能。 目前电池管理系统研究的要点是如何掌握电池组中每个电池单元的状态，并 据此对电池组进行管理，合理分配系统进出能量以保持单节电池的一致性，提高 整个电池组的寿命，平滑瞬时电流的冲击，提高能量利用效率，从而提高电动车 的整车性能。 3 2 电池管理系统基本结构 本设计中将电池管理系统分为功率回路和控制回路两个部分。如图2 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 保护( 控制) 部分 i i i 图2 电池管理系统框图 f l a g2b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ms t r u c t u r e 由结构图中可以知道，充电部分可分为开关电源与p w m 集成控制器。它为电 池提供可靠稳定的充电环境。 控制( 保护) 部分由m c u 集中控制。需要完成电路保护，温度保护等等功能， 还要控制整个系统的j 下常运行。包括充电时参考电压和参考电流的给定，整个充 电过程的控制和结束充电过程的判断；放电电流的监控，停止放电的条件判断。 1 0 3 动力电池组电池管理系统 一般有两种方法实现电池的智能化控制。一种是利用集成电路芯片来实现控 制。目前市场上有很多厂家生产的集成芯片，能够以相对不高的成本完成各种充 放电和保护功能。但是集成电路的应用场合比较窄，一般限于小容量的单、双节 电池的控制。当需求功率较大，电池串并联数目较多时，集成电路就无能为力了。 另一种方法就是采用单片机系统。单片机系统稍显复杂，但是其灵活性是集成电 路无法比拟的。特别是在有特殊需求的场合，单片机系统更能体现出它的优势。 3 3 电池管理系统功能 完善的电池管理系统应该实现的功锹1 6 j ： ( 1 ) 电池状态的监测，统计，输出数据。 随时监测统计电池电压、温度、工作电流、内阻等性能参数；及时计算电池 剩余容量，以便用户随时了解电池的使用状态，从而对电池能否继续使用有理性 的认识。例如，当用户要用电动车到达一个地方时，就可以根据电池的容量来估 计是否能到达目的地。 ( 2 ) 一致性补偿功能 当电池之间有差异时，要有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强， 并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿 功能。即设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电 池老化的进度，延长电池的使用寿命。 ( 3 ) 电池温度控制功能 电池在充电的前半段时间是吸热过程，表现为电池温度降低；但是在充电的 后半段过程，以及放电过程都是放热过程电池，表现为温度会有所升高，有时会 达到安全极限，为了能保证电池模块能持续工作，安装并控制冷却装置也是必要 的，可以采用分级风冷的措施，这样既能有效降低电池温度，又可以节省能源( 电 量) ，有利于电动车续航里程。另外在有的地方，季节环境温度过低( 北方冬季 温度最低温度可以达到一2 0 c ) ，会使电池容量降低，不利于电池使用，这时可以 考虑增加升温装置，这样，才有利于电池性能的发挥。 ( 4 ) 电池剩余容量的计算 在电池的使用过程中，准确的算出电池的剩余容量是非常重要而且必须的， 它可以帮助人们能够更加正确高效的使用电池，从而提高电池的使用寿命以及提 高能源的利用效率。电池的剩余容量受到很多因素的制约。因为电池的剩余容量 是电池内部化学储能物质活性的外在体现，但是电池内部结构的化学特性是很复 安徽理工大学硕士学位论文 杂的，它与环境温度，内部化学储能物质的排列，以及物质本身( 如使用时间、 各成分含量、活性物质的均匀程度等) 都有联系，这就很难建立完全符合的数学 模型来正确描述，所以目前准确的估算电池的剩余容量一直是难点。 ( 5 ) 电池的安全保护圳： 对电池的保护主要包括以下几个方面， 1 ) 电池充，放电过程中电池电压的保护 因为在电池使用过程中，过充和过放对电池本身的性能都有影响。即在充电 时，当电池电压大于上限设置电压时，关闭充电m o s f e t ，同时提示电池充电完 成；在放电时，当电池电压低于下限设置电压时，关闭放电m o s f e t ，同时提示 电池剩余电量不足。 2 ) 电池充放电电流保护 传统的电池是要限制大电流充放电的，因为那样有可能会引起电池带来的安 全问题，我们所用的便携式锂离子电池的充电电流的限制是0 3 c ，放电电流则是 0 5 c 。由于磷酸铁锂动力电池本身的特性，充电电流可以达到2 - 5 c ，放电电流达 到1 - 2 c ，但是还是需要对其电流的保护，以保证电池在正确合理的使用。当电池 充，放电电流大于一定值时，需要关断充，放电回路。 3 ) 短路保护 当电池所在回路发生短路时，是非常危险的，必须马上将电池从回路中断开。 4 ) 电池电压均衡保护 电池组是由单节电池串联组成，虽然电池组的内部的电池在出厂的时候经过 多次充放电循环实验来匹配性能最相近的电池，动力电池组在充电和放电时也会 采用一些保证电池电压和容量尽量一致的均衡手段。但是还是不能避免电池长期 使用或者由外部原因造成的电池之间差异的扩大，电池组内单节电池的不平衡首 先会导致电池组整体性能的下降，而如果差异大到一定程度时，也会带来不安全 因素。 5 ) 温度保护 监测电池所处环境的温度，温度过高时，电池的使用安全不能保证；温度过 低时，电池性能会下降，如果继续使用，会造成电池内部的材料不可修复的破坏。 1 2 3 动力电池组电池管理系统 3 4 本章小结 本章介绍了动力电池管理系统的基本组成结构，阐述了动力电池管理系统的 基本功能。以下的设计按照本章提出的系统结构，对充电部分和保护( 控制) 部 分分别进行设计。 一1 3 - 安徽理亡大学硕士学位论文 4 1 开关电源的基本介绍 4 充电部分设计 开关电源的作用是将市电交流输入转换为合适电池充电的电压，电流输出。 在控制电路的作用下调节开关管导通和关断的时间比来调节输出。开关稳压电源 与传统的线性稳压电源相比，它具有效率高，体积小，重量轻的特点。所以本系 统充电部分采用开关稳压电源。该部分主要由功率回路和p w m 集成控制器组成。 4 1 1 开关电源的系统结构 开关电源的主要部分是开关管，它与高频变压器，滤波电路一起构成d c d c 变换器，这是开关稳压电源的核心部分。基本结构图如图3 所示。取样电路检测 输出电压的变化，在比较放大器中与基准电压相比较放大后，其输出信号控制脉 宽调制器的输出脉冲的宽度，改变开关管导通时间0 ，从而达到改变直流输出的 目的。 图3 开关稳压电源基本结构图 f l a g3s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s i cs t r u c t u r e 此外，基本结构图中有些电路没有标出，如软启动电路，过流和过压保护电 路，噪声滤波电路等。如果开关电源的功率超过7 5 w ，为了高次谐波对电网的危 害，一般还要加入功率因数校j 下模块1 7 1 。 4 1 2 开关电源的类型 根据d c d c 变换器的不同，开关电源主要有以下几个基本类型： ( 1 ) 降压式 1 4 4 充电部分设计 降压式又叫b u c k 型，串联型，基本电路拓扑结构如图4 。 串联开关电路由开关管v l 、二极管v 2 、电感线圈l 和电容器c 组成，开关管 v l 受占空比为d 的脉冲的控制，交替导通或截止，再经l 和c 组成的滤波器，在 负载只上得到直流输出电压u 。，从而完成将未经稳压的直流输入电压u i 变换成平 滑直流输出电压u o 的功能。 图4 串联型开关电源电路拓扑 f l a g4s e r i e ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 在电路稳定工作过程中，降压型电路存在着滤波电感电流连续模式( c c m ) 和电 感电流断续模式( d c m ) 。电感电流连续是指滤波电感l 电流屯总是大于0 ， 而电 感电流断续模式是指在开关关断期间，有一段时间屯= o 。d 为占空比。电感电流 连续的临界条件是 i u o 等( 1 一d ) 丁( 4 - 1 ) r2 三、 7 在电流连续的条件下，输出电压与输入电压的关系： 眈= 等= o v , ( 4 2 ) 在电流断续的条件下，输出电压与输入电压的关系： v o - - 盎配 件3 ) 式中f 锄d ，锄为开关关断期间，电感电流t 不为0 的时间。 ( 2 ) 升压式 升压式也叫做b o o s t 型，并联型，基本电路拓扑结构如图5 。 1 5 安徽理1 = 大学硕士学位论文 图5 并联型开关电源电路拓扑 f l a g5p a r a l l e ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 与降压式电路一样，升压型电路也有电感电流连续和断续两种工作模式。电 感电流连续的临界条件是： v o d ( 1 - d ) 2 t u o ( 4 - 4 ) r2 三 在电流连续的条件下，输出电压与输入电压的关系： 虬2 高u ( 4 - 5 ) 在电流断续的条件下，输出电压与输入电压的关系： u 。：坐生u ( 4 - 6 ) 虬2 _ 产u ( 3 ) 降压升压型 降压升压型即是降压型与升压型的结合，也叫b u c k b o o s t 型，其电路拓扑结 构如图6 ， + 图6 串并联型开关电源电路拓扑 f l a g6s e r i e s p a r a l l e ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 在电感电流连续的条件下，输出电压与输入电压的关系： u o = - 志配 ( 4 7 ) ( 4 ) 单端正激型 图7 是单端正激型开关电源的电路拓扑， 1 6 ， 4 充电部分设计 。 裂j jr l 扑! j i j 叫卜j k v 4 图7 单端正激型开关电源电路拓扑 f l a g7s i n g l e - e n d e df o r w a r ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 图中所示的电路拓扑具有z v s 功能。开关管在导通过程中，c ，通过开关管放 电v l ，c ，上的电压降到零。当开关管v i 在控制信号的作用下关断时，c ，上的电压 不能突变，从而实现零电压关断。 单端正激型开关电源的输出电压与输入电压的关系为： 眈= 瓦n 2o r,(4-8) 单端正激型开关电源电路的优点是电路简单，可靠性高，驱动电路简单。缺 点是变压器单向励磁，利用率低。 ( 5 ) 单端反激型 单端反激型开关电源的电路拓扑如图8 所示， 图8 单端反激型开关电源电路拓扑 f l a g8s i n g l e - e n d e df l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 反激电路也存在电流连续和电流断续两种工作模式。与别的d c d c 变换电路 不同，反激电路电流连续指的是变压器副边绕组的电流连续。值得注意的是，反 激电路工作于电流连续模式时，其变压器铁芯的利用率会显著下降，因此实际使 用时，通常避免反激电路工作于电流连续模式。 此电路输出电压与输入电压的关系为： v o = 瓦s 2 尚配( 4 - 9 ) 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 推挽式 推挽式开关电源电路图如图9 所示，推挽式变换电路属于双端式变换电路。 其高频变压器工作于磁滞回线的两侧，是一种设计简单、工作合理的线路，适用 范围比较广。推挽式电路的主要缺点是开关晶体管的耐压要达到2 倍的输入电源。 另外在推挽电路中，必须注意变压器的磁芯偏磁问题。由于电路不可能完全对称， 例如开关v l 和v 2 的导通时间可能不同，或它们的通态压降可能不相等，都会在 变压器原边的高频交流上加一个数值比较小的直流电压，引起直流偏磁。由于原 边绕组电阻很小，即使是很小的直流偏磁电压，如果作用时间太长，也会使变压 器磁芯单方向饱和，引起较大的磁化电流，导致器件损坏。 d 2 l i 刀 i + l _ jc t i i - 。一 l吧 图9 推挽式开关电源电路 f l a g9p u s h - p u l ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 推挽式开关电源电路输出电压与输入电压的关系： v o = 铷 ( 4 - 1 0 ) 如果输出电感电流不连续，输出电压虬将高于上式的计算值，其中 肚2 。 ( 7 ) 半桥式 半桥式开关电源电路图如图1 0 ，在图中所示的半桥开关电源电路中，两个开 关s l 和s 2 交替导通和关断。关断的开关起两端电压等于电源电压u i ，而流过导通 的开关的峰值电流等于平均电流的两倍。在理想情况下，电容器c l = c 2 ，两个电容 器上的电压为u i 2 ，所以高频变压器原边电压为u i 2 。 1 8 4 充电部分设计 ；亡c l 3s 1d u 2怎l 一 |n 删8 i 刀 上一 c i c - 7 i 1 厂j _ ) ； l - 一 q ，d l 一tq u ，天、删 一 i 图1 0 半桥式开关电源电路拓扑 f l a g10h a l f - b r i d g es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 在电感电流连续的情况下，输出与输入的关系： u o = 三每d t t , 件 ( 8 ) 全桥式 全桥式开关电源电路图如图1 1 所示，在s l 和s 4 同时导通时，开关s 2 和s 3 同时关断。反之，在s l 和s 4 同时关断时，开关s 2 和s 3 同时导通。关断的开关两 端电压等于电源电压u i ，而导通的开关流经的峰值电流值等于输入电源平均电流 i i 。 ? 7 1 3 密 _ 。 j 、观 ) _ _ d 1d 3 一 r jll 。 c = 【】t k = r d 2d 4 一k一l - 图l l 全桥式开关电源电路拓扑 f l a g11f u l l - b r i d g es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 在电感电流连续的情况下，输出与输入的关系： 虬= 争 ( 4 1 2 ) 综上所述，各种开关电源结构形式比较如表2 所示。 从表2 可以看出，小功率开关稳压电源可采用降压式，升压式结构；中小功 率开关稳压电源一般采用单端正激型或单端反激型结构：而大于1 0 0 0 w 以上的高 功率开关稳压电源采用全桥式结构。 一1 9 安徽理：l ：人学硕士学位论文 表2 各种开关电源结构形式比较 t a b l e2t h ec o m p i l eo f k i n d so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 电路类裂隔离方式优点缺点输出功率范围( 聊 降压式5 0 升压式非隔离式电路简单，效率高不适用于大电流，功率小3 0 降压升压3 0 可靠性高，驱动容易，电 高频变压器单向励磁，利 单端正激裂 用率低，单向励磁，计算复 5 0 2 0 0 流波形好 杂 高频变压器简单，无需 单端反激型高压快速二极管，滤波开关管反压大 2 0 一1 0 0 电路简单 隔离式变压器双向励磁，利用电流不平衡会造成变压 推挽式1 0 0 5 0 0 率高器饱和 高频变压器简单，开关 开关管要求悬浮驱动，驱 半桥式1 0 0 7 0 0 管反压低 动结构较复杂 高频变压器简单，开关驱动电路复杂，需要四只 全桥式管反压低，单只开关管高压开关管和四只高压5 0 0 2 0 0 0 有效功率大 快速二级管 另外，表2 中列出的各种开关电源结构形式的比较只是一般性的比较，并非 涵盖全面【2 5 1 。譬如，单端正激型的开关管数目有时也用两只，此时就需要两只高 频变压器。单端反激型也是如此。在要求较高的输出功率( 如3 0 0 w 以上) 时， 会采用双管结构，这时正激型就会演变成半桥结构。所以说，一个开关稳压电源 的结构型式有时是单一形式，有时是两种形式的组合。 上文所介绍的开关结构类型的振荡方式都是他激式，即需要外接的振荡器来 提供误差信号的载波信号，另外还有自激型，自激型不需要专设振荡器，它的开 关管兼做振荡管，原理是有开关管与高频变压器构成一个正反馈回路来实现自激 振荡。 自激型开关电源主要有振铃式，洛埃耶式，井森式等几种类型。自激型开关 电源结构简单，但是不如他激式稳定，而且输出功率不