锂电池管理系统的研究与实现 — 研究目的与意义

一、锂电池管理系统概述

二十世纪九十年代以来，锂电池的研究和生产都取得了重大的进展，在各个领域的应用也越来越广泛。由于锂电池具有放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，无记忆效应，体积小，重量轻及无公害等优点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镍镉蓄电池，成为动力电池的主流。近年来，锂电池也被研究人员用在水下机器人和电动汽车上作为动力能源，锂电池的管理和应用成为水下机器人和电动汽车等发展的关键技术之一。

电池管理系统直接检测及管理储能电池工作的全过程，包括电池充放电过程管理、电池温度检测、电池电压电流检测、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断等几个方面：

（1）电池充放电过程管理：即实时监控电池充放电时的温度、电压、电流等参数，在发现异常情况时及时做断开充电电路，发出报警信息等相应处理。

（2）电池温度检测：即对电动车蓄电池单个电池进行温度检测，依据电池类型设定该型号电池安全温度参数范围，在发现温度不在安全范围时做相应处理，并发出报警信息，提示问题电池的位置。

（3）电池电压电流检测：即检测蓄电池各组电压、电流，依据检测参数来通过算法判断电池好坏，并估算剩余电量。

（4）电量估计：即电池剩余电量的测量，依据所测参数准确估测动力电池组的荷电状态（State of Charge，即SOC）。

（5）单体电池间的均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。

（6）电池故障诊断：即依据所测单个电池温度、电压等参数对比其正常参数范围做出诊断处理。

目前，电池管理的难点和关键在于：

（1）如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即储能电池的SOC状态计量技术。

（2）储能电池的快速充电技术及均衡充电技术。这项技术是目前世界正在致力研究与开发的另一项电池能量管理系统的关键技术。

二、锂电池管理系统研究现状

国外电池管理系统研究现状

随着近十年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，总结出电池的数学模型，并成功开发出许多电池管理系统装在车上试用。比较有代表性的有：德国Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOaCH系统；德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统。

1、BADICHEQ系统及BADICOaCH系统BADICHEQ系统是以Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首在1991年开始设计的，并于1991年12月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于1992年4月达到如下功能：

● 能同时对20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PC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。

BADICOaCH是BADICHEQ系统的改进，它有以下特点：

● 它的一个最重要的特点是在每个电池单元上加一个非线性电路（WLC）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BADICOaCH系统，并在那里解码；

● 装有两条PWM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；

● 对最近24个充放电周期的详细数据进行存贮并允许在对电池好坏作判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情况；

● 与PC机数据传送采用RS232标准。

2、BATTMAN系统德国的B.Hauck设计的BATTMAN电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。之所以要这样做，是根据对不同型号的电池组的管理可分为共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：

● 决定电池能存贮的电流能量；

● 决定最弱电池单元的剩余电量；

● 能影响电池的运行和数据的记录；

● 温度的测量。

3、EV1的电池管理系统通用汽车公司推出的EVl电动汽车由26个铅酸蓄电池供电，放电深度80%，电池寿命是450个深放电周期，113公里市内行驶里程（美国环保局指标，USA EPA Schedule）， 145公里高速公路行驶里程（美国环保局指标，USAEPASchedule）。

EV1的电池管理系统概念定义包括四个组成部分：

● 电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）；

● 软件BPM （Battery Pack Module）；

● 电池组热系统；

● 电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect）。

可见，EVl的电池管理系统的核心是BPM.BPM有以下功能：

● 单电池电压监测；

● 电池组电流分流采样；

● 电池组高压保护（保险丝）；

● 六个热敏电阻进行温度采样；

● 以电池组的平均特性控制充电；

● 过放电报警并降低电动汽车行驶性能；

● 电量或里程计算；

● 高压回流继电器（High Voltage Bus Relays）。

总的说来，EVl的电池管理系统与一般意义上的电池管理系统有区别，它把系统侧重点放在了电池组的可靠性（Safety Features）上。

EVl电池管理系统的可靠性措施有：

● 电池组高压断电保护装置；

● 手动断电开关；

● 地线绝缘失效检测；

● 自动开关与手动开关连锁。

4、SmartGuard系统这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置（用了专用IC）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。

SmartGuard的主要功能有：

● 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。

5、BatOpt系统该系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过two_wire总线，监控模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有如下特点：

● 每个模块提供5安培的均充电流；

● 模块有温度监控；

● two_wire总线接口。

6、深海领域的电池管理系统随着锂电池在潜水艇、水下机器人等深海领域的广泛应用，一些科研机构和电池供应商成功开发出适合在深海领域应用的电池管理系统。比如Bruce M.Howe等为MARS海洋观测系统研制的锂电池管理系统。系统的监控单元向上级控制单元报告电池的荷电状态，当需要更换电池时便通知上级控制单元返回码头更换电池。监控单元管理电池的电压、电流、温度等信息，通过这些数据可实现以下功能：

● 温度保护功能，只有在0 ~ 45 o o C C才可进行充电；

● 过流保护功能，充电电流低于0.7C（C为电池容量）；

● 短路保护功能；。电池组高压保护（保险丝）；

● 过充保护功能，单体电池电压超过4.3V时停止充电；

● 过放保护功能，单体电池电压低于3.2V时停止放电；

Phoenix公司为海军的无人水下机器人研制的锂电池管理系统采用三级分布式设计，按单体电池、电池模块和电池组三个等级进行管理。每个单体电池上都有最低级别的控制单元，对单体电池进行充放电保护。电池模块可按电压或电流的需要通过串联或者并联构成电池组。

三级之间通过网络连接实时读取每节电池的工作数据，实时控制每节电池和电池组的工作。

该电池管理系统可实现以下功能：

● 短路和过载保护功能；

● 过充和过放保护功能；

● 故障后1秒内自动重启；

● 单节电池关断功能，关断故障电池后，系统内剩余电池仍可正常工作；

● 电压、电流和温度的实时报告功能；

● 过温保护功能，单节电池超过135 ℃自动关断；

电池管理系统如下图所示：

国内电池管理系统研究现状

国内针对电动汽车的电池管理系统，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，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，如清华大学、北京理工大学、同济大学、北京航天航空大学等等，都取得了丰硕的成果：清华大学为EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统。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，SOC估计，自动均衡，事故处理与记录等。

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，SOC估计，运行状态判断和保护功能等。

春兰研究院的HEV-BMS主要功能有：

电流电压及电池箱温度的采集，SOC估计，自动均衡，电池故障诊断和安全保护。

北京理工大学王建群等为纯电动汽车研制的电池管理系统以单片机为核心，采用分布式网络控制系统结构，可以实时检测动力电池的各种运行参数：

电池SOC、总电压、总电流、单体模块电压、电池包内特征温度；

可以根据电池状态进行故障诊断和报警，同时具有热管理功能等；

系统参数通过PC进行标定，通过CAN总线与整车其他系统进行通信实现信息共享。

系统已经在BK 6121EV纯电动公交客车上安装。可以有效地管理电动车辆有限的能量，实现电动车辆效率最大化，估计电池组的剩余电量及车辆续驶里程、单体电池及成组电池的检测与电池组温度控制、电机及空调等耗能部件的功率分配等内容；并解决了动车辆运营过程中的故障诊断、高压安全、充电通讯接口、延长电池使用寿命、提高电动车可靠性等问题。

北方交通大学姜丽君等研制的电池管理系统为国家863计划电动汽车重大专项子课题的研究成果。系统利用单片机对电池的充电及放电信息进行采集，所采集的信息包括实时的充放电电流、电压、温度。总的和单组电池的所有信息由单片机的管理软件进行分析及总结以最合理、优化的方式发现故障电池及电池组所需的充放电模式，从而决定用什么方式来充电和放电。决策的执行是依靠一套功率四象限逆变器来自动完成的。该四象限逆变器可以正向充电也可反向将电池内电量逆变后馈送给电网。这样电池能经常把电荷放光，消除记忆，并“锻炼”容量，以达到延长电池寿命的效果。

深圳雷天公司研发生产的大功率、高容量锂动力电池在深海领域有广泛的应用，被研究人员采用在旅游观光潜艇及常规潜水艇上作推进器主动力的电池组动力能源。雷天公司为锂动力电池研发的配套电池管理系统有如下特点：

● 电池管理系统由管理主机（CPU）、电压与温度采集模块、电流采集模块和通信接口模块组成。

● 可检测并显示电池组的总电压、总电流、储备电量；任一单体电池的电压和电池箱的温度；最高和最低单体电池电压及电池编号、最高和最低温度、电池组的充放电量。

● 主机还提供报警和控制输出接口，对过压、欠压、高温、低温、过流、短路等极限情况进行报警和控制输出。

● 提供RS232和CAN总线接口，可在计算机上直接读取电池管理系统上的所有信息。

该电池管理系统作为电池安全运用的有力保障，使得电池时刻处于安全和可控制的充放电使用过程中，大大提高了电池在实际使用过程中的循环使用寿命。电池管理系统如下图所示：

三、本文研究内容

本文针对水下机器人的动力源——锂电池组提出一种锂电池管理系统的设计方法。该锂电池管理系统可直接检测及管理储能电池工作的全过程，包括电池充放电过程管理、电池温度检测、电池电压电流检测、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断等几个方面。

本文的主要内容包括一下几个部分：

第一章分析了锂电池的工作原理，工作特性及充放电过程中应该注意的问题。

第二章分析了影响电池剩余容量的因素，在分析比较国内外目前主要采用的几种估计方法的基础上，进一步研究了在本系统中采用的SOC估算方法，即开路电压与电量累积相结合的方法。

第三章分析了锂电池管理系统的硬件实现，按功能模块依次详细分析了处理器，数据采集模块，充电控制模块，均衡模块，数据显示和串口通信的工作原理和电路实现。

第四章通过软件框图分析了电池管理系统的软件实现，并对各个软件实现单元做了详细分析。

第五章电池管理系统的系统调试运行结果。

第六章对工作进行了总结，并对下一步重点研究的内容做了展望。