【毕业学位论文】（Word原稿）高压锂离子蓄电池组智能充电系统设计与实现-软件工程

硕 士 专 业 学 位 论 文 高压锂离子蓄电池组智能充电系统设计与实现 of 图分类号： 学校代码： 10055 密级： 公开 摘 要 I 摘 要 随着我国在 高压锂离子蓄 电池组方面的科研技术水平和生产能力的不断突破和提高， 高压锂离子蓄 电池组应用越来越 广泛 ， 目前 在 电动汽车、 飞艇 和 无人机等项 目 均有明确的需求。其中高压锂离子蓄 电池组 充电系统的性能对高压锂离子蓄 电池组 的性能起着关键性的作用 。 本论文主要对高压锂离子蓄 电池组 充电系统进行研究，首先对高压锂离子蓄电池组充电系统的研制背景进行了介绍；其次通过对高压锂离子蓄电池组充电系统的需求分析，将其功能划分为六个功能模块：充放电模块、上位机模块、电芯电压测量及均衡模块、充电模块、放电模块和供电逻辑控制模块；第三对高压锂离子蓄电池组充电系统进行了详细的设计；最后完成充电系统的样机，利用样机对高压锂离子蓄电池组进行充电试验和维护试验，使充电系统的各项指标和 性能均达到设计提出的要求。 本课题 从根本 上 解决了现有 高压锂离子蓄 电池组 充电 系统中存在 的 不具备智能均衡充电及控制、实时显示各种性能参数 、数据 存储及上传 等技术难题，完全能够满足 高压锂离子蓄 电池组高性能循环寿命的需求，提升了我国 锂离子蓄 电池 组充电系统 的技术水平。 该 套充电系统 研制成功后， 其相关技术 将在航天通信卫星、 飞艇、无人机、水下设备 、野外装备、标准化实验室等方面 得到 广泛和潜在的应用。 关键字 ：高压锂离子蓄电池组，充电，均衡，控制，设计，实现 I of of of is in of is to of In on of on is by on of is a is a is a is by of of of of be in 录 录 第一章 绪论 . 1 第一节 锂离子电池一致性对串联电池组特性的影响 . 1 第二节 锂离子电池组充电的电路模型 . 2 第三节 串联电池组的充电策略 . 4 流充电 . 5 压充电 . 5 第四节 锂离子电池组均衡策略 . 5 量消耗型均衡 . 6 损耗型电池均衡 . 7 第五节 本论文的主要内容 . 11 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 . 13 第一节 需求来源 . 13 第二节 功能性需求 . 13 第三节 非功能性需求 . 14 第四节 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的功能模块划分 . 14 放电控制模块 . 15 位机模块 . 19 芯电压测量及均衡模块 . 22 电模 块 . 23 电模块 . 24 电逻辑控制模块 . 25 第三章 高压锂离子蓄电池组充电系统的设计 . 26 第一节 总体设计 . 26 第二节 供电逻辑控制模块 . 27 目 录 三节 上位机模块 . 28 件选型 . 28 件开发环境 - . 28 件结构与流程图 . 30 作界面 . 31 机界面程序代码 . 37 第四节 充放电控制模块 . 39 件 . 39 放电控制模块软件开发环境 . 42 放电控制模块的软件流程图 . 44 制模块程序代码 . 47 第五节 充电模块 . 50 第六节 放电模块 . 50 第七节 电芯电压测量及均 衡模块 . 52 芯电压检测电路 . 52 芯均衡电路 . 56 芯均衡控制策略 . 57 第四章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的试验 . 59 第一节 样机 . 59 压电池组充电系统的外型 . 59 电系统的技术参数测试情况 . 61 第二节 充电系统与电池组的联调试验 . 61 位机模块的操作界面 . 61 护参数 . 63 第五章 总结与展望 . 65 第一节 主要工作 . 65 第二节 展望 . 65 目 录 V 参考文献 . 67 致谢 . 69 个人简历 在学期间发表的 学术论文与研究成果 . 70 第一章 绪论 1 第一章 绪论 第一节 锂离子电池 一致性对串联电池组特性的影响 锂离子电池作为一种新型环保电池 ,具有体积小、重量轻、比能量高 、 倍率放电 特性好 的特点 ，非常适合用于动力电池。尽管锂离子电池的电压相对铅酸电池和镍氢电池要高，但对于动力设备而言，单只锂离子电池的电压太低，需要多只锂离子电池串联才能达到动力设备的额定 电压。 1因 此， 在各种 锂离子电池的应用场合中， 为了得到较高的 直流 电压，或者在控制 锂离子 电池 组 工作电流大小的前提下 为了得到较大的功率， 普遍采用 将 锂离子 电池串联 的方式 以满足使用要求。 对于串联 使用的锂离子 电池组，尤其是高电压 锂离子 电池组，各个 串联电芯 之间的一致性成为 恒量锂离子 电池组 容量 的关键 因素 。 无论是充电还是放电，尽管各个串联电芯之间的 电流 相同 ， 但是 由于 各个串联电芯之间存在的 不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减。 2而串联电池组的容量由最小单体电池的容量决定，因此，这些差异将使串联电池组的使用寿命缩短。 3造成这种不一致的原因主要有： 1） 在加工制造过程中的材质不均和使用过程中电芯 温度、寿命等存在差异，电芯之 间必然存在内阻、端电压、容量等参数的不一致性； 2）电池 组 在 装配 过程或使用过程中，由于电池温度或通风条件的差别，增加了 电芯之 间已经存在的不一致性； 3）电池 组 使用过程中，由于存在不同程度的过充电或过放 电的影响，使得电芯 在使用过程中出现电池性能参数的不一致性加剧。 电芯 间存在 的差异 呈现分散性。电池组 内部电芯 的分散性是影响电池组性能的一个重要因素。 电芯的 分散性会大大降低了电池组的使用水平。 4 图 示是经过大约 20 次充放电历史的 流的 恒压 阶段充电策略充电结束后 电芯 电压分散情况。电池组充电到大约 346V 就结束了， 各个电芯之间 的开路电压 存在 较大的差别，最大 电芯电压和最小 电芯 电压相差将近 该种情况下，锂离子电池组放出 75时，就已经出现 80 号 电芯 电压过低的情况（注意，并不是充电结束后开路第一章 绪论 2 电压最低的电池）。此 时虽然大部分电芯 仍然能够放出一定的容 量，但是从电池 组 的安全使用和运行考虑 ，必须认为此时锂离子动力电池组已经不能继续放电了。由于电池组内 电芯 不一致性 的 存在，标称 80锂离子 电池组只能放出75容 量，电池组性能受到影 响。 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81电压（ V ）电池号图 离子 电池组 内部电芯 电压分散情况图 如果在使用过程中不能抵消 电芯 间的电压差异，对于高压电池组，其循环寿命将远远低于 电芯 的循环寿命 。 5 第二节 锂离子电池 组充电的电路模型 锂离子电池 组在充电或者放电过程中，短时间内可将电芯 的稳态模型 等效为 一个电压源 内部阻抗等效为电压源内阻 电池组通过串联后，具有图 示的等效模型。 利用戴维南定律，该电池组模型仍然可以化简成一个电压源模型，其中： ni （ ni 从电池组的简化模型来看，锂离子电池组和 单体 电池间具有类似的电压、第一章 绪论 3 电流、温度等外特性。 对于锂离子电池组，如果从充电 设备 和电池组的连接形式来分，主要有并联充电 和 串联充电两种基本充电 模式 （图 n -R n - 1离子电池组简化电压源模型 充电设备图 离子电池组并联充电拓扑 图 充电设备离子电池组串联充电拓扑图 第一章 绪论 4 并联充电针对性好，能够对不同的 电芯 分别采取不同的充电控制策略，只要 合理控制电芯的 充电，就能有效的延长电池组的使用寿命。但是并联充电的缺点也是十分明显的：充电 回路 多，充电设备 结构 复杂。 例如，对于 额定 电压为 400V 锂离子 电池组，需要 110 只 电芯 串联，如采用并联 充电模式 ， 则需要 110个 独立的 充电回路 ，导致整个充电设备体积增大、成本增加，不适合充电设备的长远发展需要，因此目前很少采用这种充电 拓扑结构。 图 联充电的模型，采用电压 源或者电流源对整个锂离子电池组进行充电。这种充电模式的优点是充电线路简单，缺点是不能精确控制串联电芯的电压 。 第三节 串联电池组的充电策略 近年来，对锂离子 蓄 电池组充电的研究主要侧重于分析恒流（ 电和脉冲充电不同制式对锂离子电池性能的影响 6，旨在提高充电效率，提高电网能源利用效率，延缓电池使用寿命。尽管脉冲充电、优化的非线性衰减充电电流可以提高充电效率 7，缩短充电时间，但控制复杂，成熟度不高，因此，在工程上仍采用恒流 恒流 电结束图 流 第一章 绪论 5 流充电 在充电过程中，充电电流 电电压 离子电池反电动势 E 和充电回路总电阻（主要是电池电阻） R 之间具有以下关系： R （ 由于回路电阻 R 短时间内可认为保持不变，电池反电动势 E 变化缓慢，因而，在某一时刻，改变充电电压 就改变了充电电流 在恒流 充电 的 初始阶段 ， 锂离子电池组的电压 E 较小， 充电设备的输出 电压不需要很高电流就能达到稳定值。随着充电 过程 的继续， 电池组的电压 E 不断升高， 充电设备的输出 电压也需不断升高。当 电池组电压 E 升至恒压充电电压 ， 充电 设备 自动换入恒压充电阶段 。 压充电 对于锂离子蓄电池组， 以恒流方式充电到限压点时，只能充进 额定容量的80%左右，还需要 利 用恒压充电 对锂离子电池组 进行补充充电， 电池组的 最高充电截止电压值 为： （ 式中 ： n锂离子 电池 组 的 串联 电芯数量 电芯的 充电上限电压 在恒压充电阶段，充电设备的输出电压保持不变，随着电池组电压 E 的逐渐升高，充电 电流逐渐减低。当充电电流小于 ，电池 组 已基本充满，充电终止。 第四节 锂离子电池组均衡策略 为了保持锂离子电池组的容量，需要对电池组内部串联电芯进行均衡，均衡的目的是使串联电芯之间的差异保持在允许的范围内。考虑到锂离子电池在成组之前均进行了配组筛选，对于电 池组内部的串联电芯，其特性的差异主要体现在电芯的电压差异，因此，目前锂离子电池组的均衡策略主要以电芯的电第一章 绪论 6 压是否均衡（相同）来作为整个电池组均衡度的判断依据。 解决串联 电芯 之间均衡 的 最简单的方式是采取铅酸蓄电池 组 的均衡方式，通过提高 充电设备的输出电压 使每个串联的 电芯保持一致 。由于锂 离子 电池不适宜过充，因此通过提高 充电设备输出 电压 的方式 不适用于 锂离子 电池 。 8 量消耗型均衡 能量消耗型均衡 的基本思想 是 在 充电过程中， 通过并联的电阻将多余的能量从 电压最高的 电芯 中 旁路 消耗掉 （图 。 9 32 2 路 电阻均衡 在图 ， 当 控制电路 检测到 串联电芯之间的电压差异超过允许值时，电压最高的电芯的旁路开关闭合，旁路电阻接入，分流一部分电流。在电池组充电电流不变的情况下， 电压 最 高的 电芯的充电电流最小，其电压上升速度最慢 ，与其它电芯的电压差异逐渐减小。通过控制电路不断地筛选出最高电压的电芯并对其进行旁路， 整个串联电池组内的 电芯电压趋向一致。由于 旁路电阻分流的能量变成了热量损耗，所以这种均衡模式 的效率很低。但是其简单性却 是其他 均衡 模式 所不能比拟的。 在实际应用中，旁路电阻通过的电流一般取 此 ， 能量 消耗型均衡模式 适用于 小容量串联电池 组 ， 例如电动自行车的 8池组，均衡电流一般取 50路电阻的消耗功率约 第一章 绪论 7 损耗型电池均衡 对于大容量 锂离子 电池组， 充电电流较大（一般取 如仍采用能量消耗型均衡模式，需要采用功率更大的旁路电阻以承担高达数瓦的耗散功率，还要解决均衡电路的散热问题，从而增加锂离子电池组的结构设计难度。因此在大容量锂离子电池组中，不适合采用能量消耗型均衡模式，而应采用 非损耗型均衡 模式 。 用 隔离 变换器 的 非能耗型 均衡 图 示 的 是一个使用反激 变换器 的 均衡电路 。 当其中任何一个 电芯的 电压超过预设值时， 控制电路使该电芯对应的动工作，对电芯的充电电流进行分流，分流的能量通过反激变换器回馈到整个电池组的充电回路中，当电芯电压降低到允许值时，控制电路使止工作。 图 用反激式 变换 器的均衡 方法 图 示的均衡方法只能实现能量从 电芯 单向传输 到整组电池 （对电芯放电） ， 控制对象为电压最高的电芯。 图 示的 均衡方法 既 能实现能量从电芯传输到 电池 组 （对电芯放电） ， 也能实现能量从 电池组 传输到电芯（对电芯充电） ，控制对象为电压最高和电压最低的电芯，在充电时，可以同时启动对最高电压电芯（放电）和最低电压电芯（充电）的均衡，其均衡的效率较图 示的均衡方式大大提高。 此外图 示的均衡方法既 可以在充电时对电芯进行均衡，也可以在 放电2 2 *2 绪论 8 时 对电芯进行均衡。放电 时， 可以将整个电池组的能量传输给电压最低的电芯，使电池组内的电芯电压保持一致，从而增加 电池组的容量利用率。 图 用 双向 反激式变流器的 均 衡 用集中式变换器 的电池均衡 在图 图 示的 均衡 模式 中，每个 电芯 都有一个独立的 变换器 ， 因此，整个均衡电路使用的变压器、功率半导体器件 和其他电路元件的数量 较多，占用的空间较大 。为了减少 均衡电路的尺寸 ，可以使用具有多绕组变压器的 变换 器，如图 示。 图 用集中式反激变流器的均衡 2 22 *绪论 9 多绕组变压器的 初级线圈通过 联在电池组的两端，次级 绕组 通过 二极管整流后 与 电芯并联 ， 次级 绕组 的数量与 串联 的 电芯 数目相同。在 图 换器将 电池组的能量传 输 到 电压最低的电芯 中，保持 电芯之间的电压一致性 。如果 控制电路 检测到有 低电压 电芯 的存在， 则启动均衡，变压器初级绕组的 作在高频开关状态。当 通时，电池组通过 初级绕组充电，能量存储在初级绕组中； 当 断后， 存储在初级绕组中的 能量 耦合到次级绕组，经整流后传输到 电压较低的 电芯 中。理想情况下，存储 在初级绕组中 的能量将会自动分配，大部分的能量将 传入电压 最低的 电芯 中。 *用集中式双管正激变流器的均衡方法 使用多绕组变压 器 对 电芯 进行均衡 的另一个例子就是图 示的双管正第一章 绪论 10 激 变换 器。 变压器初级绕组通过两个串联的 联在电池组两端（可以采用低电压的 次级绕组通过二极管整流后并联在电芯两端。示的反激变换器不同，图 示的正极变换器初级绕组和初级绕组的方向相同。 当 控制电路 检测到 低电压 的 电芯 时， 启动均衡，变压器初级绕组的作在高频开关状态。当 通时，变压器初级绕组和次级绕组的电压方向相同，次级绕组的二极管导通，电池组的能量通过变压器耦合到次级绕组，对电芯充电；当初级 绕组的 断时， 变压器通过初级绕组的二极管复位。 采用集中式 变换器 的均衡模式虽然比每个电池单元都使用 变换器的 开关数目少，控制简单，但是由于变压器的 次级 绕组很多，所以当 串联的电芯 数目较多时，变压器的制作成本会很高，制造 工艺 复杂。 用无损型电流分流电路的电池均衡 无损型电流分流 均衡模式的工作原理是 将充电电流从已经充满的 电芯 中分流至下一 个电芯 ， 从而 将充满的 电芯从充电回路中分离出去。这样就能使余下的电芯 继续充电达到满充而已经充满的 电芯 不会发生过充。图 一种无损型电流分流均衡的原理 图。 每个 电芯 的两端都接着分流模块，每个分流模块由一个可控开关（ 和 一个续流电感 L 所组成。为了使能量能够回馈到 电池组两端 ，最后一个 电芯 （电池组总负端） 使用了一个反激式的变压器来传递能量。 正常情况下，分流模块是不工作的。充电电流直接流过每个电芯，对所有电芯同时进行充电。 10如果其中一个电芯达到充电截止电压，那么相应的分流模块就开始工作，将充电电流从该电芯分流。例如，当第 1 只电芯首先达到充电截止电压，则 1 开通，电感 始蓄能，因此有： （ 当 断后，电感 储存的能量通过二极管 移到第 2 只电芯当中。通过分流模块的平均电流等于充电电流 入第 1 只电芯的净电流等于零，而其他电芯的充电电流仍然保持 一过程的波形图如图 示。 如果串联电池组中的最后一只电芯达到充电截止电压，那么开关 先开通，使能量就转移到了电源（串联电池组）端。反激变压器的匝比 a 与 电芯 的个第一章 绪论 11 数 N 相对应，而二极管 承受的电压 为 中 一个 电芯 的端电压。 图 用无损型电流分流电路的均衡方法 图 损型电流分流器的波形 第五节 本论文的主要内容 受客户的委托，本人所在 单位 需要为 一款动力 锂离子电池组研制一 套 充电2 绪论 12 系统 ，电池组由 120 只 聚合物锂离子 电芯串联而成，电芯 容量 10电芯 充电电压上限为 电电流为 5A，充电结束时，电芯之间的电压误差不超过 10此外， 充电设备还应具有维护功能 ，在维护状态下，按照充满电搁置 1 小时 100%放电搁置 1 小时 充半电的程序对电池组进行维护 ，放电采用恒流放电，放电电流为 2A。 本论文 围绕高压 锂离子蓄电池组 的 充电 设备 展开。本论文的工作属于应用技术研究，主要工作包括以下几个方面： 1）对高压锂离子电池组的充电控制模式进行了研究，确定了本论文的充电控制模式； 2）对锂离子电池组的均衡控制模式进行了研究，确定了本论文的均衡电路拓扑结构； 3）根据电池组 充电和维护 的 要求，设 计了充电 系统 由 供电逻辑控制模块 、充电 模块 、放电 模块 、 电芯电压测量 及 均衡 模块 、 充放电 控制 模块 和 上位机 模块 六部分组成。 4）对充电 系统 进 行 了 总体设计， 确定了各组成部分的主要功能， 对 充放电控制模块 和 上位机 模块 的 软件进行了详细设计 。 5）完成了充电 系统 的样机，利用样机对高压 锂离子蓄 电池组进行了充电试验和维护试验，充电 系统 的各项指标和性能 均 达到了设计提出的要求。 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 13 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统 的需求分析 第一节 需求来源 高压锂离子蓄电池组智能充电系统 的 需要主要来源于客户， 由客户根据锂离子 蓄 电池组 的特性和锂离子 蓄 电池组的运行及维护规定等使用性要求提出，主要是设备的技术参数、使用功能等；在此基础上，本人所在单位根据充放电 系统 的行 业标准、使用环境等条件对充放电 系统 的需求进行了补充，补充的内容集中在环境条件、安全特性、防护等方面。 第二节 功能性需求 1） 该 系统 具有对锂离子电池组进行充电、放电和维护的功能； 2） 应实时显示每个电芯电压、温度监测点温度、电池组电压、充放电电流以及充放电设备运行状态； 3） 具有自动存储运行数据的功能，存储数据包括时间、电芯电压、温度、充放电电流等，数据存储的格式为 4）充电电流 5A，电流控制误差 芯的充电截止电压 电结束时 ，电芯之间的电压差不超过 10 5）放 电电流 2A，电流控制误差 电芯的 放电截止电压 6）维护过程为 “ 充满电搁置 1 小时 100%放电搁置 1 小时充半电 ” ，各个阶段之间切换 ； 7） 具有状态指示灯及蜂鸣报警装置，当电池组在不同状态时进行指示，电池组发生故障进行相应的声光提示 ； 8）具有参数设置功能，便于操作员临时修改 系统 的运行参数，参数设置应具有授权密码 ； 9）参数设置应具有自动纠错功能，防止操作员误操作 ； 10）系统 交流输入电压为 220V 10%，频率 50 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 14 第三节 非功能性需求 1） 该 系统 应具有防倒灌功能，防止锂离子 蓄 电池组对 系统 的反向充电 ； 2） 具有自检功能，连接电池组后如发现电池组异常（过温、过压、欠压等），应自动报警，并封锁充电、放电操作 ； 3）具有预警功能，在充电或者放电过程中，当发现电芯电压变化速率异常 时，系统 应发出警示；当温度监测点温度变化速率 异常 时， 系统 应发出警示 ； 4） 具有两级过压保护的功能，当电芯电压超过 ， 系统 应立即停止充电，如电芯电压持续上升至 ，系统 应自动切断充电回路 ； 5） 应具有防尘措施，内部线路板喷涂军用三防漆 ； 6） 运行环境：温度 +45，相对湿度 90%； 7） 具有接地螺钉，交流输入对机壳、交流输入对直流输出可承受工频 2验电压，漏电流小于 20 8） 内部应 有照明措施，充电接口采用航空连接器。 第 四节 高压锂离子蓄电池组智能充电系统 的功能模块划分 根据充放电系统 的需求分析，可以将其功能划分为六个功能模块：充放电控制 模块 、上位机 模块 、电芯 电压测量及 均衡 模块 、充电 模块 、放电 模块 和供电逻辑控制 模块 （图 。 图 统总体用例图 供电逻辑 控制模块 电芯电压测量及均衡模块 充电模块 放电模块 充放电控制模块 操作员 上位机模块 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 15 放电控制模块 要功能 充放电控制 模块 的主要 作用 是控制 电池组 充电 、 放电 和维护的过程。其主要功能如下： 1）数据传输 接收电芯均衡模块上传的电芯电压以及温度监测点的温度；接收上位机模块下发的控制指令。 向上位机模块上传电芯电压、温度、电池组电流、电芯均衡状态等信息；向电芯均衡模块下发 电芯均衡的控制指令。 2）电池组电流测量 通过模数转换器实时检测电池组充电电流。 3）充电和放电过程控制 对电芯电压数据进行分析，控制充放电过程，调整充电电流和放电电流，控制电芯均衡的启动与停止。 4）告警及保护控制 异常情况下启动蜂鸣器告警，当检测到电芯电压超过保护值时，切断充电模块的交流供电线路 。 放电控制模块的接口 根据充放电控制模块的功能，其对外接口如下： 1）通信接口 充放电控制模块需要与上位机模块和电芯均衡模块进行通信。电芯均衡模块与充放电控制模块之间的通信具有通信速率高、传送数据量不大的特点，因此采用 分布式现场总新 口。充放电控制模块与上位机 模块 之间的通信接口采用 工业领域标准的 行接口和 行接口 。 2）模拟量输入接口 模拟量输入接口用于检测锂离子 蓄 电池组的充电电流 和放电电流 ，电流测量采用电流型霍尔传感器，因此测量接口内部需要匹配电阻。 3）模拟量输出接口 模拟量输出接口用于给定充电电流和放电电流的基准，输出信号为标准的电压信号 ，电压范围 0 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 16 在充电过程中，充电电流的基准应能动态调节，以满足阶梯降低充电 的要求。同时，要求充电电流基准具有较高的控制精度（小于 1%）。 4）开关量输出接口 开关量输出接口用于控制外部告警蜂鸣器、充电模块的交流供电、充电模块的启停以及放电模块的启停。为提高抗干扰能力和电气隔离电压，开关量输出接口采用继电器常开触点的形式。 电控制模式 根据客户对充放电 系统 的技术要求，充电结束时电芯之间的电压差不 超过10对于高压 锂离子蓄 电池组，串联充电 具有电路结构简单、控制简单的优点，但 由于锂离子电池之间固有的差异，使得单体电池之间存在一定的电压差，在恒压充电阶段，尽管充电电压没有超过电池组的电压上限， 但 仍会有部分单体电池超过充电电压上限，另一部分单体电池低于充电电压上限。 11这种情况不但会降低整组电池的循环寿命，严重时会导致单体电池严重过充，从而引发安全事故。 为解决 串联 充电模式 固有 的缺陷， 在 引入了 电池管理系统（ 后，目前有以下两种充电控制模式： 1） 阶梯恒流充电模式 图 阶梯恒流充电模式 的工作过程：启动充电后，充电 系统 按照额定的恒定电流对电池组进行充电，单体电池的电压逐渐上升，当 测到有单体电池电压达到充电截止电压时，充电设备随即将充电电流降低一定的幅度，继续维持对电池组的恒流充电。充电电流的幅值降低后，单体电池的电压也将降低一定的幅度（与电流的幅度有关）。 12随着充电时间的增加，单体电池的电压再次达到充电截止电压，充电设备继续将充电电流降低一定幅度，维持对电池组的恒流充电。随着充电的进行，充电 系统 不断重复上述过程，直至充电电流小于截止电流，充电结束。 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 17 图 梯恒流充电 模式 阶梯恒流充电模式避免了高压电池组中单体电池的过充问题，提高了高压电池组的安全性。由于不具备单体电池的均衡功能，因此，阶梯恒流充电模式无法消除或者降低高压电池组内部的电压一致性问题。在长期使用过程中，单体电池之间的电压差仍会加大，从而造成整组蓄电池容量的降低。 2） 恒压限流充电 +均衡 充电 模式 图 串联充电 +并联充电模式的工作过程，整个过程分为串联充电和并联充电两个阶段，每个阶段中又分为恒压充电和恒流充电。 13 在串联充电阶段，首先对整组电池进行恒流充电，在恒流充电过程中，电池组的电流保持不变， 电压逐渐上升， 时检测单体电池的电压，当发现有单体电池的电压达到充电截止电压时，充电设备以当前的电池组电压作为恒压整定值，由恒流充电转入恒压充电。在恒压充电过程中，电池组的电压保持不变，充电电流逐渐降低，当充电电流下降串联充电截止电流时，串联充电结束，自动转入并联充电阶段。 并联充电采取恒压限流的控制模式，其恒流值一般取串联充电截止电流，恒压值为单体电池的充电截止电压。当所有单体电池的电压均达到充电截止电压、且并充电流小于并充截止电流时充电结束。 与阶梯恒流充电模式相比，串联充电 +并联充电模式既可防止 单体电池的过充，又可以抵消单体电池之间的电压差异，可以帮助提高整组电池的循环寿命和容量。但是充电设备过于复杂，相当于每个单体电池都有一个独立的充电电路。 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 18 图 压限流充电 +并联充电法 3） 本论文确定充电控制模式 在 串联充电 +并联充电模式中 ，并联均衡充电和串联充电是两个独立的过程，当电池组中各个单体电池之间的差异较大时，将造成并联均衡时间过长，从而使整组电池的充电效率较低。 14 为提高整组电池的充电效率，同时保证充电结束时各个单体电池的电压一致性，可以将 本小节中的 1）和 2）两个 方案整合为“串联阶 梯恒流充电 +并联均衡充电法 ”，其控制过程如下： 首先按照额定的充电电流对整组蓄电池进行串联充电，在充电过程中， 要有一只单体电池达到充电截止电压时，充电设备以 10%恒流充电电流设定值）的步长降低充电电流，同时 动对低电压（低于单体电池电压平均值）单体电池的均衡充电；当 次检测到有单体电池达到充电截止电压时，再次将充电电流降低 10%至充电电流降低至 0。在阶梯降低充电电流的过程中， 终保持对低电压单体电池进行均衡充电，当所有单体电池的电压均 达到充电截止电压且串联充电电流小于串充截止电流时，充电结束（图 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 19 图 梯恒流充电 +并联均衡充电法 位机模块 位机模块的主要功能 上位机模块的主要 功能 是参数设置、参数显示、 操作按钮、数据分析、 数据存储 、数据导出和告警 （图 。 1）参数设置 电池组充电电流和放电电流； 电芯充电截止电压和放电截止电压； 允许充电时间和允许放电时间； 充电电流和放电电流过流告警值； 电芯过压告警值和欠压告警值； 温度告警值。 2）参数显示 时钟； 充电时间或放电时间； 设备 工作状态（充电、放电、搁置）； 电池组电压； 电池组充放电电流； 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 20 电池组充入 /放出容量； 图 电芯编号和电芯电压； 电芯均衡状态； 最高电压电芯编号及电压； 最低电压电芯编号及电压； 平均电芯电压； 最高温度点及编号； 最低温度点及编号； 电压变化速率异常单体电池编号。 3） 操作按钮 充电； 放电； 维护； 参数设置； 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 21 数据导出； 停止操作。 当执行上述按钮时，上位机模块应通过通信接口控制底层模块执行相应的操作。 4）数据分析 对电芯电压、温度等数据进行分析，筛选最高电压电芯和最低 电压电芯，当参数异常时，发出告警信息。 5） 数据存储 上位机模块应储存的信息如下： 时钟； 充电时间或放电时间； 设备工作状态（充电、放电、搁置）； 电池组电压； 电池组充放电电流； 电池组充入 /放出容量； 电芯编号和电芯电压； 电芯均衡状态； 最高电压电芯编号及电压； 最低电压电芯编号及电压； 平均电芯电压； 最高温度点及编号； 最低温度点及编号； 电压变化速率异常单体电池编号。 存储的时间间隔可使，设置范围 30位机模块至少应存储 10 次的充电数据或放电数据。 6）数据导出 可以通过 口 定期将数据拷贝。 7）告警 当发生保护时，显示屏会弹出告警菜单，并自动存储告警内容。 位机模块的接口 根据上位机模块的主要功能，上位机模块至少应具有以下接口： 第二章 高压锂离子蓄电池组智能充电系统的需求分析 22 1）工业串行接口 ） 口 芯电压测量及均衡模块 电芯电压测量及均衡模块由电芯电压测量电路和电芯均衡电路组成。 芯电压测量电路 电芯电压的测量精度是锂离子电池组安全充电的基础，只有保证单体电池电压测量的精度，才能满足锂离子电池组在充电和放电过程中的安全性。对于 120串锂离子 电池组，电芯电压测量电路既要保证规定的测量误差，还要克服电池组的共模电压对测量电路的影响。 1）主要功能 实时检测 120 只串联电芯的电压以及 12 个温度监测点的温度，并通过通信口上传； 根据电芯的电压，控制电芯均衡电路的启动与停止。 2）接口 通信接口：采用工业标准现场总线 口与充放电控制模块通信 ； 开关量控制接口： 120 只串联电芯均衡的启动与停止， 控制电平为 辑电平。 3） 技术指标 电芯电压测