基于fpga的锂电池组的充放电及安全保护

基于fpga的锂电池组的充放电及安全保护

0单节锂离子充放电问题电子产品对电源的性能有很高的要求。由于锂离子电池（即锂电池）具有放电电压稳定、自放电率低、无记忆效应等优点，目前逐渐替代铅酸蓄电池，成为动力电池主流。但是锂离子电池对充放电要求较高，充电时电池内部温度上升，放电时电解材料铜熔化造成内部短路，外部电路板电流过大，电池内部功率消耗增加，引起电解液氧化，锂离子电池压力增加，易产生火花爆炸，因此锂离子电池都加有保护电路。由于电动力设备使用驱动电压高于单节锂电电压，电动车使用额定电压为24V、36V，使得必须使用多节锂电单元串联组成电池组，但单节锂电池内部特性不同，导致了单节锂电充放电不一致。本文介绍智能动力锂离子电池组管理模块，以微处理器为功能控制核心，可以有效为电池组单节锂电充放电提供平衡保护。1锂电池组于过度充放电导致安全性差新型电子产品要求电源性能改善，要求减少电源体积质量，电源材料环保无污染，锂电子正负极材料为嵌锂化合物，锂电池自放电率较小，很多电子产品使用锂电池供电。20世纪中期人们开始对锂电池研究，锂电池发展经历锂一次电池与锂离子电池发展阶段由于锂电池优良性能，目前在手机、无线电通信，航天技术等领域广泛应用。便携式电子产品要求供电电源具有高密度能量，锂电池占据充电电池市场比重不断提高。锂电池组在使用中需将各节电池串联，没有管理系统对电池组进行控制会降低电池组的安全性。锂电池组于过度充放电导致安全性问题无法解决，使用中缺少对电池组的管理会影响电池组的性能、无法保证其安全性。功能完善的管理系统体积占电池组的1/5，可提高电池组寿命2倍以上。电池组充放电中，个体状态参数变化，为了解控制电池组状态，管理系统应用中必须结合参数变化调整控制方案，充分发挥电池组的性能。电池组循环后期，管理系统仍采用循环前期控制方案，则导致后期出现控制错位，所以电池组使用中管理系统的自适应优化至关重要。电池组管理系统分为电量、均衡管理系统，现在电量管理系统只能对电池组电量模糊估算，锂电池电量可根据电压为衡量标准。目前对电池组状态管理通常为故障状态管理，检测电池组的使用寿命尚无精确的计算方法。2锂电池组管理系统随着微型电子的发展，数字集成电路不断集成更多功能，设计师希望以独立设计专用功能芯片，出现了可编程逻辑器件，FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列）是特殊的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，特殊应用集成电路）芯片，芯片规模不断扩大，可实现更多的功能，芯片在出厂前做过测试，设计人员只需通过软硬件环境可完成芯片功能设计。用户可反复编程使用，采用不同软件实现不同功能。FPGA常用的结构是查找表结构，大多数的FPGA芯片使用4输入的LUT(Look-Up-Table，查找表），用户需设计逻辑电路时，可将电路通过原理图表现，逻辑电路结果被FPGA开发软件计算写入RAM(Random-AccessMemory，随机存储器）中，输入信号逻辑运算输入地址信号查表。LUT是基于SRAM(StaticRandom-AccessMemory，静态随机存取存储器）工艺生产，FP-GA芯片在SRAM工艺基础上生产，芯片在存储上次设计信息后发生掉电会导致内部信息丢失，为FPGA芯片加专用配置芯片，可将设计信息写入配置芯片，将设计信息重新写入FPGA中，不会影响系统正常工作。锂电池组能源管理模块设计源于笔记本电脑的电池电源管理方案，这种电源管理模式能提供电池状态数据，使人们在使用电池供电时不会因为掉电而影响工作，可以合理科学地使用电池，有效延长电池使用寿命。电动力设备上动力锂离子电池组能源就具有上述功能。智能能源管理模块由管理功能、通信功能组成。3智能电池管理模块的设计方案3.1智能管理系统模块普通充电法按预充、定压阶段进行，由于智能能源管理模块控制充电电源外置，可以与外接充电器形成闭环控制电路，将充电开关管选择为线性调节方式，但是模式功率消耗引起发热量大。为了达到兼容目的，智能能源管理模块预充采用间歇式充电法。锂电池组充电时，需匹配恒压限流型电源适配器。按预充与恒压充电进行自动充电预充原理是通过电源适配器向电流施加小充电电流，使得电池固定时间内达到最低允许充电电压值。模块的预充是通过预充开关管向电池预充。MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元）通过程序控制放电开关管S3导通，开始时采用较短的导通时间向电池预充，S1截止期间检测单元电池电压，直至电压上升到锂离子电池允许最低充电电压，长时间预充电池端电压不能达到最低允许电压，说明电池损坏。3.2电池组平衡电路单节电池配组使用特性不同，会导致组内单体电池过充情况不同，内部单体电池串联使用易发生过充现象，任意电池特性加剧恶化导致其他电池发生连锁性损坏，电池质量差会引起恶化联锁反应。目前通用的做法是将单体电池精选配对，减小单体电池差异，由于我国锂电池生产单位多等因素，使得电池组配组技术不完善。电池组使用中会产生特性变化，目前对电池组使用特性变化导致的特性衰减现象尚无有效解决方法，只能在电池组充放电中检测电池状态，保护电路将充放电电路关断。使用中解决单节锂电池组平衡问题非常重要。电池组单元电量平衡可采用电容平衡等多种方案。B1,B2…组成锂电池组单元电池，R1,R2…为放电平衡电阻，电池组充电时电流I在电池中相等，某节电池电压高于其他电池时，MCU控制多路开关K2合上，循环n次使得锂离子电池能平衡充电，方案使用中需注意选取电阻值。K1,K2……为MCU控制多路开关，充电时电流I在各节电池压降，某节电池电压高于其他电池，CPU（中央处理器）控制多路开关K2和K3合上，B2通过K2和K3向平衡电容C充电，MCU控制多路开关K3和K4向B3释放电能，使B3电压上升，使得锂电池组单元电池平衡充电，方案使用中应注意掌握电容充放电时间。4由电动汽车和电池电池组组成的包压管理4.1电动客车充换电时间国务院发布《节能新能源汽车产业发展规划》指出，以纯电驱动为新能源汽车发展主要战略取向，应总结纯电动城市客车运行经验，确定促进纯电动汽车商业化技术突破点。纯电动城市客车节能减排优于传统客车，发电环节污染可以通过绿色能源发电等多方面解决，纯电动客车单次投入数量逐渐增加，需但要重视深层次的问题。北京奥运会纯电动客车电池寿命衰减快，合肥纯电动锂电池无法保证8年客车使用寿命，青岛纯电动换电过程停车时间长，实地调查统计电动客车充换电时间，客车充换电时间约15min，但驾驶员反映车辆过多需排队，更换电池时间在30min左右。分析纯电动客车运营反馈，发现纯电动客车批量运行需要更多技术突破。需选择合适的电池PACK方式解决电池续驶里程的问题。4.2电池管理系统测试(1）纯电动客车功率基本在300kW，常用的540VDC电压电池容量需600A·h，采用200A·h单体电池需3并，采用圆柱形电池（5A·h左右）需120并，需要考虑如何通过电芯有效PACK（即锂电池电芯组装成组的过程）提高电池组续航里程。PACK方案有先并后串和先串后并方式。电芯先并联后串联，由于内阻差异等因素影响串联后电池组循环寿命，圆柱形电芯并联电池失效退出，但对并联工艺要求严格。电芯PACK后散热效果较好，对环境适应性强。(2）方形电芯避免外部并联，但失效后电池组不能使用，电池由于单体容量大，对环境适应性较弱。并联中某个单位电池短路造成电路电流大，易引发电池燃烧危险，但可通过熔丝保护技术避免。根据电池组容量先串联后并联，可降低大容量电池组故障概率。圆柱形电芯将电池组分为3组小容量独立电池组，小组电池故障不影响本组使用，减少了PACK工艺复杂性。方形电池组一组有故障，避免单串电池出现问题后整组停用。PACK方式对管理系统提出较高要求，整组电池停止充电往往因为个别电池组处于弱势造成。先串后并可通过主动均衡对小组进行自动修补投入充放电，个别电池组损坏易于更换。(3）遇到电池组短路时，PACK方式能量包变小。对比发现先串后并PACK方式为电动客车最佳选择方式。(4）主动均衡是有效电池