鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn) ― 研究目的與意義

⑷SmartGuard系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由美國Aerovironment公司開發(fā)的。系統(tǒng)通過一個分布式的專用IC管理裝置來測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來時還可起動電流旁路電路。

該系統(tǒng)的主要功能有：

● 過充保護;

● 當(dāng)放電反向時，發(fā)出報警信號;

● 能夠記錄歷史信息;

● 提供最差電池單元的剩余電量信息。

⑸BatOpt系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是由美國AC Propulsion公司開發(fā)的。在該系統(tǒng)中，每個電池上都裝有監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊經(jīng)過two_wire總線和中心控制單元通信，向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元接收到上述信息后，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，這樣就構(gòu)成了一個分布式系統(tǒng)。

1.2.2系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀

相對于國外來說，國內(nèi)的鋰離子電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是由高校與一些汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商聯(lián)合起來共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)勢，經(jīng)過多年的努力，研發(fā)了許多可靠的電池管理系統(tǒng)并已經(jīng)投入使用。

⑴EV-6580輕型電動客車配套的電池管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是由清華大學(xué)研發(fā)的。該系統(tǒng)可以實時測量和監(jiān)控電池的充放電電流、電壓等參數(shù)，同時提供了過充、過放保護，這樣就大大提高了電池壽命，同時還開發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

⑵同濟大學(xué)研發(fā)的鋰離子電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是同濟大學(xué)與北京星恒電池有限公司合作研發(fā)的。該系統(tǒng)的主要功能有：電壓、電流和溫度的精確采集，電池電量估計，均衡保護，事故處理與記錄等。

⑶北京理工大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是專門為電動汽車上的電池開發(fā)的。

該系統(tǒng)采用單片機作為微處理器，具有以下功能：

可以實時檢測電池電量、電池組總電壓、總電流和各單體電池電壓以及電池組溫度等各種運行參數(shù);

具有故障診斷和報警功能;

采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)送入PC機，在PC機中進行標(biāo)定后，再通過CAN總線與其他系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)信息共享。

系統(tǒng)已經(jīng)投入安裝使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)大大延長了電池組的壽命，提高了電動車的運行效率，當(dāng)故障產(chǎn)生后能夠及時發(fā)現(xiàn)進行處理，同時能夠精確的估計電池組的剩余電量，提高了電動車的可靠性。

1.2.3鋰離子電池保護的常用方案

從前面的介紹中，我們可以看到，在鋰離子電池組的使用過程中，鋰離子電池易受到過充、過放的影響，大大減少鋰離子電池的使用壽命。因此，鋰離子電池組的保護電路是非常重要的。

鋰離子電池組保護電路首先應(yīng)當(dāng)具有對鋰離子電池組的過充保護、過放保護、均衡保護功能。另外，其保護電路除了能夠完成以上功能，還需具備以下特點：

⑴低功耗電流。

保護電路是在電池工況出現(xiàn)異常的情況下工作，因此保護電路消耗的電流要盡量小，實現(xiàn)降低損耗的目的。

⑵檢測精度要高。過充電檢測要求電路的精度高，如果檢測精度不高，就不能保證電池容量的充分使用。

⑶工作電壓低。

保護電路對鋰離子電池進行保護時，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當(dāng)電池放電時，電壓就會進一步降低，因此，保護電路應(yīng)該能在低電壓下工作。

針對上述提出的應(yīng)當(dāng)完成的功能和具備的特點，在目前來說，常用的鋰離子電池管理方法主要有兩種：

⑴采用專用芯片的鋰電池管理系統(tǒng)。在常見的便攜式設(shè)備中，通常使用容量較小的鋰電池。首先，考慮的便攜式設(shè)備的需求，通常要求系統(tǒng)的保護電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對較小，不需要過度考慮系統(tǒng)的均衡及保護問題。通常使用專用管理芯片并配合外圍電路即可實現(xiàn)簡單的電池充放電管理及保護功能。

⑵基于監(jiān)測的鋰電池管理系統(tǒng)。在大容量的鋰電池應(yīng)用系統(tǒng)中，專用的鋰電池管理芯片已不能滿足需要，需要采用采用微控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)管理。我們通過信號采集電路采集電池組的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)送入微控制器進行分析，根據(jù)分析結(jié)果來判斷電池組中各個電池的工作狀態(tài)好壞，依據(jù)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，對鋰電池組進行智能化管理保護，從而實現(xiàn)對鋰電池電能的有效利用和延長電池壽命的目的。

本文是針對16節(jié)鋰離子電池組進行均衡保護設(shè)計的，而專用芯片最多只能實現(xiàn)對13節(jié)電池的保護，因此，如果采用專用芯片保護，那么至少需要2個專用芯片才能實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的成本。另外，采用專用芯片的話，鋰電池組的電池個數(shù)將固定，這樣系統(tǒng)的靈活性較低。綜合多方面的考慮，本文采用基于微控制器鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的方案，微控制器選用低功耗的MSP430單片機。

1.3課題意義及主要研究內(nèi)容

1.3.1本文的意義

鋰電池是20世紀(jì)末才出現(xiàn)的綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池的推廣及大量應(yīng)用，鋰離子電池深受社會和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機及眾多的便攜式設(shè)備均已使用鋰離子電池作為電源。

當(dāng)前，世界電池工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)以下三個發(fā)展趨勢：一、突出綠色概念、包括鋰離子電池、無汞堿錳電池等，滿足了人們對電池的需要。二、一次電池向二次電池轉(zhuǎn)化。正如鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了可重復(fù)使用的鋰離子電池，在無汞錳電池的基礎(chǔ)上開發(fā)了可充電的無汞錳電池。三、便攜式電池稱為用戶的首選。隨著各式各樣的電池出現(xiàn)，用戶在選用電池時，在考慮到電池的環(huán)保、性價比的同時，更加注重電池的便攜性。正因為鋰離子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當(dāng)前世界電池技術(shù)的發(fā)展趨勢。據(jù)權(quán)威部門預(yù)測，我國鋰電池總產(chǎn)值將挑戰(zhàn)100億美元，據(jù)IIT等研究機構(gòu)推測，我國鋰電池行業(yè)的年增長率將超過20%，2016年電池總體需求量將達到50億塊左右?？梢?，在當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時間，鋰電池將稱為我國電池工業(yè)的龍頭。由此可見，研究鋰電池的管理系統(tǒng)顯得尤為重要，是鋰電池進一步推廣的一個關(guān)鍵因素之一。

1.3.2本文的主要研究內(nèi)容

本文是針對民用電動車上的鋰離子電池組的監(jiān)控管理而設(shè)計的。本系統(tǒng)的主要功能包括鋰離子電池的充放電保護、單體電池的均衡保護、電池故障診斷以及上位機對電池組的實時監(jiān)控等幾個方面。

本文的主要內(nèi)容分為以下幾個部分：

第一章、研究目的與意義。簡要介紹鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)及其保護電路的現(xiàn)狀和當(dāng)前的保護方案。

第二章、鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。分析電池特性、電量管理、及鋰離子電池的采取均衡措施的原因及常用方法。

第三章、系統(tǒng)硬件設(shè)計。詳細(xì)介紹了本文設(shè)計的鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體方案，并詳細(xì)介紹了各模塊的硬件電路設(shè)計。

第四章、單片機軟件設(shè)計。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的下位機軟件設(shè)計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計方法。

第五章、上位機程序設(shè)計。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計流程及系統(tǒng)各模塊的軟件設(shè)計方法。

第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)對電池故障的診斷。

第七章、系統(tǒng)測試結(jié)果及結(jié)論。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，對系統(tǒng)進行了測試，重點是對保護電路、采集精度的測試。

本文研究了當(dāng)前國內(nèi)外鋰電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計。在完成系統(tǒng)設(shè)計過程中，重點解決了電池均衡和充放電保護問題。通過軟硬件測試，該管理系統(tǒng)均衡及保護電路簡捷、靈敏、可靠。通過實驗測試，該系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性、反應(yīng)靈敏、操作簡便等優(yōu)點。