锂电池维护系统的研究

1、锂电池维护系统的研究摘要 :磷酸铁锂电池并串联使用时并长时间处于无均衡状态的使用过程中, 单体电池一致 性容易出现差异, 大大影响电池组的使用寿命以及使用性能。 为此需要不定期的给并串联 的锂电池组进行并充维护, 提高电池系统的一致性,达到改善电池组使用寿命以及使用 性能的目的。关键词:锂电池、并充维护、补偿算法引言锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自 放电小、循环寿命长,是一种理想电源。在实际使用中, 为了获得更高的放电电压, 一般将多个单体锂离子电池串 联组成锂离子电池组使用。 磷酸铁锂电池并串联使用时并长时间处于无均衡状 态的使用过程中, 单体电池一致性容易出

2、现差异, 大大影响电池组的使用寿命 以及使用性能。 为此需要不定期的给并串联的锂电池组进行并充维护, 本系统 就是研究对锂电池组进行并充维护。本论文介绍如何架构系统实现串联并充电池组之间通道的相互隔离。 重点 阐述由于串联电池组两线制 (只有充电动力线没有单独的直接测量电池电压的 测量线 充电给电池电压测量带来困难及怎样运用电压补偿算法很好的实现了 电池电压的测量。1锂电池维护系统结构1.1维护系统设计框图本系统支持最多 N 串的电池组并充充电,并同时能支持 M 个这样的电池组模 块 (1N串 同时工作充电,此处的 N,M 可以根据系统需要软件编程设定配置。系统 基本框图如下 :电池组串1电池

3、组串2电池组串M图 1-1维护系统框图由图 1-1所示可知,维护系统主要由以下几部分组成:(1 电源模块系统:电源模块系统包含两部分,一个是给控制和显示测量电 路供电的部分,这部分功率较小为 50W ,另一个是给可控电源组供电, 这部分主功率供电部分,大致功率需要 1.2KW ;(2 显示系统:触摸屏为主体,与控制系统通讯,下发设定参数给 CPU 控 制系统供控制充电模块使用,并同时从 CPU 控制系统获得电压、电流、 容量数据显示; (3 CPU 控制系统:CPU 控制系统管理并充回路的充电过程,并进行各种必 要的保护,同时读取测量电路的电压、电流值,计算出真实电压、电流 值,充电容量;(4

4、 并充控制回路:并充控制回路是实现系统恒流并充功能的模块,通过调 节单体可控电源来实现单个并充回路的电流控制;(5 测量电路:采用 16BIT 高精度的 A/D实时监测充电过程的电压、电流 等参数;注:图中的电池组串代表 1N 个单体电池串联组。1.1.1CPU 控制系统CPU 控制系统是整个维护设备的核心部分, 控制管理整个系统的运行。 CPU 控制系统架构采用 ARM+FPGA的模式。采用 32BIT ARM 处理器做成主控单元, 并架构 FPGA 作为其子系统, 由于考虑到单个通道控制的接口较多 (2个模拟量输 出口, 4个 IO 口 , 要达到控制 18通道的电池测量, 需要多达 10

5、0个以上的 I/O口以及 36个模拟输出口(PWM 方式处理,通常的单个 MCU 难以适用,选型困 难, 考虑到可编程逻辑器件 FPGA 的灵活性, 并且管脚数量较多, 故选用 FPGA + MCU 的方式来作为整个维护系统的主控单元。电池组串的每个单体电池充电电流数字可控并且相互之间隔离独立,那就 意味着每一路电流都需要一路单独的高精度 D/A(12bit 以上来控制,并且必 须隔离。 12bitD/A加上隔离运放每路实现成本相当高, 用 PWM 方式隔离实现比较 容易。 但由于一般 MCU 没有带 36路的 PWM 输出口, 所以我们考虑使用 FPGA(现场 可编程逻辑器件 来扩展 PWM

6、 和系统 I/O口。具体控制系统设计框图如下:图 1-2主控系统框图1.1.2并 充控制回路模块并充控制回路模块是真正实现并充维护的功率控制回路。并充维护系统是给 串联模组使用的,单个单体电池是串联在整个模组中。所以并充控制回路模块必须 做成彼此独立的系统,相互隔离。具体的并充控制回路框图如下图所示: 12V36VDC 12V36VDC1 n串的并充回路 图 1-3并充控制主回路1.1.2.1 单体并充回路模块由上图可知,整个并充模块都是由单个单体并充控制电路模块构成的,相互之间电气隔离,互不影响,设计并充控制主回路实际上是设计单体并充回路模 块。单体并充回路电路如下图所示: 12V36VDC

7、图 1-4 单体并充回路由上图可知, 单体并充回路电路由 5V 可编程电源 , PWM隔离驱动信号、 PI 电 流环和隔离取样电路以及低导通电阻 MOSFET 控制开关组成。考虑到系统的控制的实时性和稳定性, 电流控制环采用硬件 PI 电流环, 由于电 流取样的幅值很小,在设计电流环时,必须选择失调小 (uV级 ,开环增益大的运算 放大器。1.1.3测 量回路系统测量回路系统是用来测量单体的充电电压、充电电流,监控单体充电过程的各 充电参数。包含两部分:被测信号隔离放大电路和 A/D采样处理电路。具体电路框 图如下:图 1-5 测量电路系统电压、电流隔离放大电路采用线性光耦对单体电池电压、电流

8、进行隔离放大,便于所有测量信 号汇总到一个 A/D进行测量处理。线性光耦有很多成熟的应用电路,此处 不再赘述。16BIT A/D 采样电路考虑到测量精度,本系统采用 16 bit A/D 处理电压、电流信号的测量, 理论上电压、电流的测量精度能达到 mV(或 mA, 但是实际使用线路布线 和电源因素,一般电压能到 <5mV, 电流到 <10mA级别。 1.1.4 测 量回路软件补偿算法由于系统接口的限制,没法采用常规的四线制充电控制回路。本系统只能采用 两线制充电控制回路,这势必带来电池电压测量的问题。也就是无法直接测量到电 池两端的真实电压,我们测得电压是接口两端的电压。考虑到当

9、有充电电流时,连 接导线上必然会有一定的压降, 这个压降视导线长度和流过的电流而定, 在本系统, 以最大电流 3A 来分析,如果单端导线长度是 1米左右的 0.8(mm*mm线,那么它 的压降有 60mV , 整个回路有 120mV 左右压降, 这对于电池测量来说是不可接受的, 必须对其进行补偿。示意图如下: 图 1-6 电压补偿说明B1 B0 v2B2由上图示意可知,两线制法中,其实我们测量的电压是 V0(V1,V2输出端 电压, 不是实际电池电压, 实际电池电压等于 V0(V1,V2端电压减去导线压降电压。 测量电路的电池电压软件补偿算法也就是指补偿导线压降的这部分电压的算法。但 是实际系

10、统中 B0(B1,B2电压补偿不仅仅取决于本节电池的工作情况,还取决于相 邻两节电池的工作情况,补偿算法需要分类实现。具体分类详见下述。1.1.4.1 补偿算法说明以 V1为例, 电池 +, -端的导线流过的电流情况有八组合情况,所以相应的压降 补偿也会有八种分类,一. V1以 3A 恒定电流充电(V1处于运行状态的四种情况(1 相邻两个电池 V0,V2都均以 3A 恒定电流在充电运行, 这时均会在 V1的 +, -两端导线上造成压降,从图 1-6可以得出,这时候压降相互抵消,不需 要补偿,公式:B1 = V1 ;(2 相邻两个电池 V0,V2只有下端 V0以 3A 恒定电流在充电运行,这时

11、V0的 充电电流会在 V1的 - 端导线上造成压降, 从图 1-6可以得出, 这时候压 降补偿只需要补偿 +端导线压降:B1= V1 (V+导线压降 ;(3 相邻两个电池 V0,V2只有上端 V2以 3A 恒定电流在充电运行,这时 V2的 充电电流会在 V1的 +端导线上造成压降,从图 1-6可以得出,这时候压 降补偿只需要补偿 -端导线压降:B1= V1 (V-导线压降 ;(4 相邻两个电池 V0,V2都没有充电运行, 这时 V0,V2对 V1没有影响, 从图 1-6可以得出,这时候压降补偿需要补偿 +、 -端导线压降:B1= V1 (V+导线压降 -(V-导线压降 ;二. V1停止的四种情

12、况(5 相邻两个电池 V0,V2都均以 3A 恒定电流在充电运行, 这时均会在 V1的 +, -两端导线上造成压降,从图 1-6可以得出,这时候压降补偿需要补偿 +、-端导线压降:B1 = V1+(V+导线压降 +(V-导线压降 ;(6 相邻两个电池 V0,V2只有下端 V0以 3A 恒定电流在充电运行,这时 V0的 充电电流会在 V1的 - 端导线上造成压降, 从图 1-6可以得出, 这时候压 降补偿只需要补偿 -端导线压降:B1= V1 +(V-导线压降 ;(7 相邻两个电池 V0,V2只有上端 V2以 3A 恒定电流在充电运行,这时 V2的 充电电流会在 V1的 +端导线上造成压降,从图

13、 1-6可以得出,这时候压 降补偿只需要补偿 +端导线压降:B1= V1 +(V+导线压降 ;(8 相邻两个电池 V0,V2都没有充电运行, 这时 V0,V2对 V1没有影响, 从图 1-6可以得出,不需要补偿:B1= V1;运用补偿算法得出的实际运行数据举例: 表 2 动态(所有通道以 3A 恒流充电电压测量表通道号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 屏显电 实际电 压（mV） 压（mV） 3342 3327 3323 3325 3324 3325 3329 3327 3330 3327 3325 3325 3326 3327 3325 3327 3329 3325 3333 3330 3341 3330 3329