蓄电池充放电管理系统毕业设计

1、信息工程大学毕业设计（论文）任务书 课题名称 蓄电池充放电管理系统研究学 生 姓 名 所在院、系（队） 专 业 学 号 申请学位级别 指导教师单位 指导教师姓名 技 术 职 务 二11年 五 月课题名称蓄电池充放电管理系统研究其他指导老师姓名、单位课题主要任务与要求：研究充放电对汽车蓄电池寿命的影响，从而选择合适的充放电管理方法来延长蓄电池的寿命。备 注系（或教研室）审批意见：签（章） 年 月 日学院训练部审批意见：签（章） 年 月 日信息工程大学毕业设计（论文）报告（地方学生） 课题名称 蓄电池充放电管理系统研究学 生 姓 名 xxx 所在院、系（队） xxx专 业 电子与信息工程 学 号

2、申请学位级别 xx 指导教师单位 xx 指导教师姓名 xx 技 术 职 务 xx 二33 年 五 月指导教师评语：签（章） 年 月 日答辩小组意见： 负责人签（章） 年 月 日学院答辩委员会意见： 负责人签（章） 年 月 日学院训练部审核意见： 盖 章 年 月 日摘要电动汽车是以动力电池作为能源的环保型汽车，动力电池的寿命是影响电动汽车发展的关键因素，其中一个方面就是：动力蓄电池在制造过程中，由于制作工艺的差别，即使同一批次的电池，也不可避免的存在着差异，即容量上的差异。这种差异直表现在电池的端电压上。在充电过程中，容量小的电池电压上升比较快，即当其它电池尚未充满时，容量小的电池已经充满，继续

3、充电将会造成容量小的电池处于过充电状态。这种差异的直接后果容量小的电池在充电过程中经常处于过充状态，在放电过程中处于过放状态，致使寿命明显缩短，从而导致整组蓄电池寿命降低。本文中采用串并联转换的方法解决这一问题，在充电过程中各个单体电池的联接方式是并联联接的，当检测到某个单体电池充满电时，就把该单体电池从电池组中撤出来；在放电过程中各个单体电池的联接方式是串联的，当检测到某个单体电池的电量不足时，就把该单体电池从电池组中撤出来。实现这种串并联转换的电路即使本文研究的重点。关键词：电池 串并联转换 寿命 充放电管理Abstract Electric automobile is environme

4、nt-friendly as it is operated by power battery, the life of which is the critical factor that affects the development of electric automobile. One aspect is that in the process of manufacturing power battery, differences in workmanship lead to differences in battery capacity even the same batch will

5、be no exception. The differences are manifest in the terminal voltage straightly. During charging, the small capacity batterys voltage rise quicker, that is, it need less time to reach full than the others. Stop timely, or it will be over-charging. The immediate consequences of differences are that

6、small capacity storage batteries are always over-charging in the charging process while over-discharging in the opposite process, which shorten lifespan evidently and of course life of the full group of storage battery will be influenced. In this article series-parallel connection transformation is

7、used to solve this problem. During charging, each single battery is connected in parallel and if one of them is detected having been charged fully, it will be took out of the battery pack. In the discharging process, single batteries are in series connection and once some battery lacks power, it wil

8、l be took out. This article emphasizes on the transformation of series parallel connection.Key word: Battery series-parallel connection transformation life span charging and discharging management目录摘要IAbstractII绪论IV第一章 充电方式的选择11.1 恒压充电方式11.2恒流充电方式21.3两阶段充电方式31.4三阶段充电方式31.5脉冲充电方式5第二章 单体电池电压测量72.1目前几种

9、单体电池电压测量方法72.1.1共模测量法72.1.2继电器切换采样法82.1.3开关切换法92.1.4 V/F转换无触点采样法92.1.5浮动地测量法102.2本为采用的单体电池电压测量方法11第三章 均衡充放电管理133.1目前几种常见的充放电管理方法133.1.1涓流充电法133.1.2并联电阻法133.1.3电容切换法143.1.4多绕组变压器法143.1.5并联DC/DC变流器法153.2本文采用的方法163.2.1放电过程的管理163.2.2充电过程的管理163.2.3充放电串并联转换的实现183.3 基于protues的串并联转换管理方式的仿真183.3.1继电器的逻辑控制183

10、.3.2 单体电池的模拟203.3.3 电压比较器的应用203.3.4串并联电池充放电管理系统仿真图213.4串并联管理方法的改进22总结与展望24致谢25参考文献26绪论当前，在电动汽车的研制与产业化推广过程中，动力蓄电池的问题成为最主要的制约因素。其中一个方面就是：动力蓄电池在制造过程中，由于制作工艺的差别，即使同一批次的电池，也不可避免的存在着差异，即容量上的差异。这种差异直表现在电池的端电压上。在充电过程中，容量小的电池电压上升比较快，即当其它电池尚未充满时，容量小的电池已经充满，继续充电将会造成容量小的电池处于过充电状态。这种差异的直接后果容量小的电池在充电过程中经常处于过充状态，在

11、放电过程中处于过放状态，致使寿命明显缩短，从而导致整组蓄电池寿命降低。本文中从充电方式，单体电池的电压测量这两个问题入手选择一种适合串并联转换管路方法的充电方式，提出一种由差分放大器组成的减法电路来测量单体电池电压的思路，最后提出串并联转换的电池充放电管理方法。并用protues进行电路仿真。第一章 充电方式的选择对于蓄电池而言，不同的充电控制策略对其寿命的影响也是不尽相同的。根据不同的应用环境、不同的应用场合，充电控制策略的选择也是多式多样的。目前常用的几个充电控制策略有恒压充电方式、恒流充电方式、两阶段充电方式、三阶段充电方式以及脉冲充电方式和根据麦克斯韦理论来设定充电参数的综合充电方式。

12、下面对不同的充电方式一一介绍。1.1 恒压充电方式 恒压充电是保持电池的端电压恒定值的一种充电方式。充电器的输出电压恒定，单节电池的端电压为2V，一般将充电电压设为2.35-2.5V之间，具体数值需要查看电池厂家的技术说明书，并且需要根据具体环境和温度等应用条件相搭配，取得一个较为准确的充电电压值。恒压充电的充电电压、电流波形如图1-1所示。图1-1 恒压充电充电电压电流波形 恒压充电方式的明显不足之处在于充电开始的初期，由于电压已经恒定，又因为电池的等效内阻非常的小，所以充电电流会很大。严重时会引起极板弯曲、活性物质脱落以及蓄电池的温度异常升高，从而缩短蓄电池组的寿命。如果将恒压值降低，虽然

13、可以适当减小初始电流的大小，但是蓄电池的充电时间会大大增加，而且可能会出现无法充满的现象，从而造成蓄电池充电不足，同样会缩短蓄电池的寿命。恒压充电方式的好处在于电池充电电压恒定，充电器的控制较容易实现，成本低。因此。恒压充电一般用在小容量、低电压电池的充电场合。1.2恒流充电方式 恒流充电与恒压充电方式类似，只不过恒定值为充电电流。而恒流充电又包括单一恒流充电方式和分段恒流充电方式。 单一恒流充电恒流值设定比较低，是为了避免充电到一定程度后，电流过大使得电池由于过充而损坏。单一恒流充电保持电流恒定不变直到充电结束，充电时间相对较长，导致充电过程中蓄电池内部析气较多，效率低。图1-2单一恒流充电

14、方式的电流电压波形图。图1-2 单一恒流充电方式电压电流波形 而分段恒流充电在一个充电周期中的充电电流是分段变化的，它根据充电状态进行调整，先以较大的电流充电，并逐渐减小，电流呈阶梯状减小，这样可以避免过充电，不过对控制参数的准确性要求较高。如图1-3示。图1-3 分段恒流充电方式电压电流波形 恒流充电方式一般用在快速充电开始前的涓流充电或者串联电池组的小电流长时间充电。1.3两阶段充电方式两阶段充电方式也是目前市面上相当多的充电器所采取的一种充电策略。为了避免恒压充电初始时大电流对蓄电池组电极的损坏现象，大多数电池厂商采取了这种恒压限流充电方法。限制恒压充电的初始充电电流，等待电池端电压上升

15、到设定的恒压值，则进入恒压充电阶段，这样充电电流便会逐渐减小，直到充电过程结束。其电压电流波形如图1-4示。两阶段充电方式充电过程中，电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、抑制蓄电池的温度上升趋势、避免损坏电池极板。图1-4 两阶段充电方式电压电流波形1.4三阶段充电方式 三阶段充电方式是由二阶段（恒压限流）方式发展而来的。在很多场合下，蓄电池并不是总处于工作状态下的。而对于蓄电池组而言，即便是在不使用的状态下，电池也会通过内阻放电，容量也会随着时间逐渐减小。如图1-5示。图1-5 三阶段充电方式电压电流波形 所以在蓄电池两端加上恒定电压，便可以补偿这种因为电池自放电而造成的容量损失，这便是浮

16、充阶段。浮充阶段类似恒压充电模式，不过这两者的恒压值是不相同的。它和恒压充电的目的并不相同，它并不以恢复电池容量为目的。浮充更准确的说应该是蓄电池的一种运行方式。它是直流电源系统中，与整流设备并联，作为支持系统工作的后备电源的蓄电池工作方式。 蓄电池在浮充工作方式下，充放电循环次数少，自放电和深放电的容量又能及时补充，活性物质利用率高，使用寿命长。浮充使用时蓄电池的充电电压必须保持一恒定值，在该电压下，充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电而损失的能量。同时，应保证在相对较短的时间内使放过电的电池充足电，这样就可以使蓄电池长期处于充足电状态，不会由于欠充电造成容量损失。另一方面，该电压的选择应使

17、蓄电池因过充而造成的损失达到最低程度。因此，选择恰当的浮充电压对蓄电池的使用寿命来说是至关重要的。对于VRLA电池的浮充电，当前无论国内还是国外均采用大致相同的办法，浮充电压通常选取2.23-2.28V。而且，修正浮充电压值对延长VRLA蓄电池的寿命十分重要，浮充电压增加0.1V，蓄电池的寿命将减少近半。因此，选取浮充电压一般选取厂家推荐的下限，且要根据温度进行补偿，补偿方法与均充电压温度补偿一样，以-4mV摄氏度为补偿系数。为了使得浮充电压更加的精确，多种间歇性浮充方式被提出。这种特殊的浮充方式是待到电池端压降到设定值时进行浮充，到上限值停止，如此循环。便可以防止电池的损坏。1.5脉冲充电方

18、式前面介绍的几种充电方式如恒压充电方式、恒流充电方式、两阶段充电方式以及三阶段充电方式普遍存在的问题是充电电流参数难以与具体的VRLA电池取得一致。充电电流过大则会加速电池的析气，使得电池失水。电流过小则加长充电时间，可能造成电极硫酸盐化。脉冲充电方式是一种针对VRLA电池比较先进的充电技术。它对铅酸电池内部的电化学过程有较大影响，主要解决了铅酸电池极化问题和硫酸盐沉积问题。，脉冲充电方式如图1-6示:图1-6 脉冲充电方式电流电压波形 采取脉冲充电可以较好的抑制极化的产生。电阻极化和电化学极化只需要等待充电电流下降到足够小，便可以在微秒内减小或者干脆消除。对于浓度差极化，在脉冲的间隔空闲时间

19、区间内，电解液浓度差不变，为离子扩散创造了条件。若在充电过程中加入负脉冲，则可以使得VRLA电池在充电过程中的电化学反应朝着与原来相反的方向进行，离子扩散运动方向也相反，这样便有利于消除充电过程中产生的浓度差。 如果充电电流是脉冲电流，则情况不同。脉冲电流则可以看成是一系列频率交流电流组成。由于集肤效应，当一定频率的交流电流流过某一导体时，电流仅流过导体界面的外表面。充电电流频率越高，则电流越集中在极板表面，积累在极板表面的硫酸能够得到电子，充电反应能够进行较充分，且抑制了析氢反应的发生。这样负极表面的硫酸铅晶体能够全部转换为活性铅。综合考虑，在串并联转换时选择脉冲充电方式。其实，脉冲电压充电

20、和恒压充电方式在串并联转化的电路设计上没有任何区别。但是在使用两阶段充电方式、三阶段充电方式时由于在充电时要使用电流充电，所以在充电时，单体电池的联接方式不能简单的并联，要在恒流充电时把单体电池的联接方式转换为串联。第二章 单体电池电压测量本文中对于单体电池剩余电量的估计是通过测量单体电池的电压判断的，当单体电池的电压高于某一值则认为本单体电池电量充满；当单体电池的电压低于某一值则认为本单体电池的电量耗尽。对串联的蓄电池，目前常用的几种测量单体电池的方法有共模测量法、差模测量法。而差模测量法又分为开关切换法、V/F转换无触点采样法以及浮动地技术测量法。2.1目前几种单体电池电压测量方法2.1.

21、1共模测量法共模测量是相对于同一个参考电位的，用精密电阻等比例衰减各测量点的电位，然后依次相减得到各节蓄电池单体电压。在笔记本电脑的电池管理系统中就常用到此种测量方式。如图2-1便是共模测量法，高精度的AD只用采集A、B两点的电位，然后相减得到的便是E1两端的电池端压。（B点在哪儿？图中没有）图2-1 共模测量法 此方法电路比较简单可靠，但是测量精度却不高。例如，32节标称电压为12V的蓄电池，单节电池测量精度为0.5%的测量系统，单节电池测量的绝对误差为60mV,32节串联累计的误差就可以达到1.92V，显然，其相对误差可以达到16%，这个误差在很多情况下是不容许的。这种方法也只适合串联电池

22、数量较少或者对精度要求不高的场合。2.1.2继电器切换采样法差模测量法是通过电气或者电子元件选通单体电池进行测量，当串联电池数量较多而且对测量精度要求较高时，一般采用差模测量方法。继电器切换采样法也属于差模测量方式的一种。传统的比较成熟的测量方法是用继电器和大的电解电容做成隔离处理，原理如图2-2。图2-2 继电器切换采样法 其基本的测量原理为：首先将继电器闭合到1侧，对电解电容进行充电；测量时把继电器闭合到2侧，将电解电容和蓄电池隔离开来，这样只需测量电解电容上的电压便可以得到相应的蓄电池上的电压，这个方法原理简单，并且造价低廉，不过继电器动作较慢，电解电容充放电太频繁，使寿命会减少，可靠性

23、不高。2.1.3开关切换法这种方法与继电器切换法比较相似。仅用一片AD芯片就可以实现对所有的单体电池电压的测量，当需要测量电池组中的某一节电池电压时，只需要通过相应的开关组件接通AD转换芯片即可。系统结构如图2-3所示。这种方法的缺点是需要利用很多开关组件，控制较为复杂，可靠性不高；此外，开关一般采用MOS构成，其导通压降不可忽略，这也会影响到测量精度，随着MOS的压降可以通过软件进行补偿，但是其补偿精度有待验证。图2-3 开关切换法2.1.4 V/F转换无触点采样法V/F转换的原理如图2-4所示。其工作原理如下：单节蓄电池采用分别采样，取单节蓄电池的端电压经过分压（降压）后作为V/F转换的输

24、入，分压电阻的分散性可以通过V/F转换电路调整。V/F转换信号输出经过光电隔离器件送到模拟开关，处理器通过控制模拟开关采集频率信号。数据采集电路与数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术，实现两者之间电气上的隔离。但是采用V/F转换作为A/D转换器的缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性差、精度低。图2-4 V/F转换无触点采样法2.1.5浮动地测量法 由于串联在一起的电池组总电压达几十伏，甚至上百伏，远远高于模拟开关的正常工作电压，因此需要使地电位随着测量的不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进行。测量时窗口比较器自动判断当前地电位是否合适。如果正好，启动AD进行测量；如果太高或太低，则通过控

25、制器经过DA对地电位进行浮动控制。其原理图如图2-5所示。图2-5 浮动地测量法每次工作时，先由模拟开关选通，使其被测量电池两端的电位信号接入测试电路，此信号一方面进行差分放大，另一方面进入窗口比较器，在窗口比较器中与固定电位Vr相比较。从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地的电位是太高还是太低或者是正好（相对于Vr）。如果正好，则可以启动A/D进行测量。如果太高或太低，则通过控制器对地电位进行浮动控制。该方法虽然可以达到较高的测量精度，但是地电位经常受现场干扰发生变化，不能对地电位进行精度控制，影响整个系统的测量精度。2.2本为采用的单体电池电压测量方法用运放LM358构成加法电路，

26、分别接到电池组的单体电池两端，这样便测得单体电池电压，如图2-6所示。图2-6 运放减法电路法由图2-6可知：若：则：这样便测量到单体单体电池的电压。第三章 均衡充放电管理研究表明，蓄电池组的使用寿命远远不如单电池，一般情况下，一旦电池组的某些单体出现寿命问题后，通常的做法是将整个电池组全部更换，这无疑会大大浪费资源。由于电池个体间电化学状况的不同，即使是在正常情况下反复进行充电放电循环都会使这种差异不断的扩大。最终造成串联的单体电池间充电水平和端电压的严重不一致。充电过程中，这种不一致性造成了某些电池会比其他电池提前完成充电。继续充电只会造成这部分电池过充电，析气严重。类似的，在充电过程中，

27、电池组中的电池提前耗尽能量的继续放电，这样会造成这部分单体电池的深度放电，严重损坏电池的寿命。 如果缺乏有效的均衡管理系统，单体电池之间的不一致性就会随着循环次数的增加而扩大，也就意味着蓄电池组的寿命越来越短了。3.1目前几种常见的充放电管理方法3.1.1涓流充电法在充电一定程度后对串联电池组持续用小电流充电。由于充电电流很小，这时的过充对满充电池所带来的影响并不严重。由于已经充饱的电池没办法将更多的电能转化成化学能，多余的能量将会转化为热量。而对于没有充满的电池，却能继续接收电能，直至达到充满电。这样，经过较长的周期。所有的电池将会达到充满，从而实现了容量均衡。但这种方法需要很长的均衡充电时

28、间，且消耗相当大的能量来达到平衡。另外在放电均衡管理上，这种方法无能为力。3.1.2并联电阻法给串联电池组中的每个单体都并联一个大电阻。电压较高的电池将会在电阻上消耗较多的能量，以此来实现电池的电压均衡。虽然这种方法原理简单，实施也容易，但却是以消耗大量能量为代价。而且电阻值的大小确定也需要折中，太大均衡效果不明显，太小功耗太大。 3.1.3电容切换法 这种方法利用串联电容在电池组间来回切换来实现电压均衡充放电，如图3-1 所示。通过单刀双掷开关的切换，最终使得相邻两节单体电池容量一致，此方法不会造成能量的消耗，比并联电阻法的效率要高得多，但这种方法采用的单刀双掷开关的实现较为复杂，系统还需要

29、单体电池的测量，所以如果加入到系统中去，会使得测量电路更加复杂化。图3-1 电容切换法3.1.4多绕组变压器法该方法由多绕组的变压器来实现电池均衡。其典型结构如图3-2所示。理论上，当变压器副边绕组的匝数相等时，它们能提供的相同的电压给各个电池单体充电，由此达到电压均衡充电的目的。但实际上，任何两个相互耦合绕组之间的耦合系数都不为1，即在实际应用后我们必须考虑到变压器的遗漏，还有副边绕组之间的互感，在这种情况下，即使变压器两边绕组的匝数完全相同，它们也未必能提供相同的充电电压。所以，这种方法最大的挑战在于如何减小漏感和互感的影响，否则，其效果值得怀疑。图3-2 多绕组变压器法3.1.5并联DC

30、/DC变流器法该方法也是通过并联分流模块到单体电池上，完成整个电池组的均衡的。不同的是并联的分流模块是一个DC/DC变流器。最常见的并联模块为Buck-Boost变流器，其结构如图3-3所示。这种模块化的结构有利于系统扩展容量，该方法的缺陷在于每个单体电池都需要并联一个模块，成本较大且比较复杂。图3-3 并联DC/DC变流器法3.2本文采用的方法 在充电过程中，单体电池的联接方式是并联；在放电过程中，单体电池的联接方式是串联，串联并联的转换是通过继电器实现的。之所以在充电放电时采用不同的联接方式是因为在充放电时要对联入的电池不同的管理。3.2.1放电过程的管理 单体电池的联接方式采用串联方式，

31、当某个单体电池的电量耗尽时，就从整个电池组中把这块单体电池撤下来，这样就不会造成对单体电池的过量消耗，具体实现方式如图3-4所示。图3-4 放电过程电路图在正常情况下（所有电池的电量充足）双掷开关SWn1均打到下方，使各个单体电池联接到电池组中。假设单体电池BAT1放电达到额定电量下限时，SW11打到上方，SW12接通使得BAT1从电池组中撤出来。从而不使得BAT1过放电。3.2.2充电过程的管理 单体电池的联接方式采用并联方式如图3-5所示，当某个单体电池的电量达到额定充满电量时就从整个电池组中把这个单体电池断开，这样就不会造成对单体电池的过充。图3-5 充电过程电路图在正常情况下（所有电池

32、均需要充电）所有开关均闭合，使各个单体电池联接到电池组中。假设单体电池BAT1充满时，SW11、SW12均断开，便使得BAT1从电池组中撤出来，从而不使得BAT1过充。由于在充电过程中的需要充电的单体电池和电源是并联的，所以在测量单体电池电压时如果不采取措施，直接测量单体电池两端电压，由于电源电压高于单体电池电压，所以测量的单体电池电压都为电源电压。所以改进的充电电路如图3-6所示。图3-6 改进后充电过程电路图在充电过程中SWn均断开，测量电压时从CLn点接入。在放电过程中SWn均闭合使二极管短路。3.2.3充放电串并联转换的实现而实现这种在充放电时并联串联转换时，也是使用这几个继电器和开关

33、实现的如图3-7所示。图3-7 充放电串并联转化电路图在充电过程中，SWn1全部打到上方，SWn2、SWn断开；SWn3、SWn4闭合和断开由BATn的电量决定。在放电过程中，SWn、SWn3、SWn4全部断开；SWn1、 SWn2闭合和断开由BATn的电量决定。充放电的判断可以从充电VCC两端的电压进行判断，若充电VCC两端有电压则认为是充电；否则是放电。3.3 基于protues的串并联转换管理方式的仿真3.3.1继电器的逻辑控制在串并联转换充放电管理电路中，在电路层面开关的闭合和断开均是由继电器控制；在逻辑层面开关的闭合和断开是由充电-放电、单体电池电量充足-不足这两个变量控制。继电器与

34、单体电池联接如图3-8所示。图3-8 继电器逻辑控制图设充电为逻辑1 电池电量不足为1；RL12、RL15、RL13、RL14闭合为1，RL11打到上面为1。则控制继电器的真值表如表1所示。表1 继电器控制真值表输入输出充放电（A）电压（B）RL11RL12RL15RL13、RL14000010011110101000111001所以：3.3.2 单体电池的模拟原理如图3-9所示。接入电池组的部分为A、B两点，BAT2为电压源，RV2为滑动变阻器，通过滑动RV2来改变A、B两点的电压，继而来模拟此单体电池电量的变化。图3-9 单体电池的模拟3.3.3 电压比较器的应用在判断电压电池电量是否电量

35、充足时，应用电压比较器，当测量的单体电池电压高于电压比较器设定的电压则认为电压充足；否则，电压不足。原理如图3-10所示。图3-10 电压比较器的应用U3:A、R5、R6、R7、R8构成减法电路，即前面所讲本文所采用的单体电池的测量方法。U3：A输出为电压比较器U4:A的输入，U4：A同向输入端接的是1.5伏的电压源，D2稳压值为5伏。当反向输入端的电压低于1.5伏时比较器输出5伏，否则输出0伏。这样比较器就构成了一个单体电池电量是否充足的判决器。3.3.4串并联电池充放电管理系统仿真图仿真图如图3-11所示。图中做了两个单体单体电池组成的电池组的电路连接图。图中圈起来的A部分模拟电池组是放电状态还是充电状态；按键按下表示充电状态反相器把信号传给B部