电池管理系统(BMS)及其均衡充电的方法陈洋;李荣正【摘要】电池管理系统的优劣直接影响动力电池性能的发挥以及整个系统的安全性.从锂电池的特点出发,设计了相关的硬件电路和控制软件,提出一种对串联锂电池组的有效管理方法,实现对串联锂电池组工作状态下的监控.实验结果证明,系统能对串联锂电池组高效、安全的使用提供有效的保障.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2015(029)003【总页数】5页(P213-217)【关键词】电池管理系统;均衡控制;新能源;串联锂电池组【作者】陈洋;李荣正【作者单位】上海工程技术大学电子电气工程学院,上海201620;上海工程技术大学电子电气工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TM912.9Keywords:batterymanagementsystem(BMS);balancedcontrolling;newenergy;seriesconnectedLi-ionbatteries能源危机和环境污染已然成为影响社会发展的两大难题,当今世界各国都在致力于解决这两大难题[1].在世界各国人民不断呼吁“低碳生活”的背景下,新能源开始占据着越来越重要的地位,锂电池作为新能源的一部分,得到了空前的发展.尤其近年来电动汽车的发展,更将锂电池的应用推向一个新的高峰.我国政府和企业不断加大对电动汽车产业的投入,迫切希望提升电动汽车的自主研发能力[2],而电池管理系统正是制约其发展的关键因素. 近年来,虽然我国在电池管理系统技术方面取得了很多突破,但是在数据采集的可靠性和安全性等方面仍需进一步改善.电池管理系统(BMS)及其均衡充电的方法尤其注重系统数据的可靠性,确保锂电池组的安全使用.由于功率和电压的限制,锂电池在大多数应用场合都需要串联使用,然而锂电池在容量、内阻、自放电率上的不同很容易造成电池容量的差异,因为“木桶效应”的存在,整个锂电池组的有效容量就会取决于最小容量的单体电池[3].除此之外,确保锂电池在使用过程中的安全性也同样具有挑战.因此,为锂电池组配备电池管理系统以确保电池组高效、安全的使用就变得至关重要了.电池管理系统及其均衡充电系统主要由主控单元、电池电压转换单元、充电控制单元、均衡放电单元组成.主控单元主要负责电池电压、负载电流、环境温度的采集和显示,电池的均衡判断,以及其他异常状态的处理;电池电压采样单元负责将单节锂电池端电压的模拟信号转换为数字信号;充电控制单元主要负责充电过程中充电电压和充电电流的控制;均衡放电单元负责在电池电压达到放电阈值时提供一条能量释放通道,确保电池不超过其极限电压,系统结构框图如图1所示.根据电池管理系统及其均衡充电系统的功能,分别设计了主控单元、电池电压转换单元、充电控制单元和均衡放电单元的相关硬件电路.系统主控单元的电路设计主要包含了单片机最小硬件系统设计、温度测量电路、电流测量以及液晶显示电路的设计.系统主控芯片选用了STC系统的单片机,其单时钟/机器周期(1T)的工作模式大大提高了系统运行速度,丰富的外围接口以及极低的成本使其在很多场合都应用广泛;温度的测量选用了DALLAS公司生产的单线数字式集成温度传感器ds18B20,其具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点;电流测量采用串联电流采样电阻方式,利用差分放大器提取采样电阻两端电压,单片机AD端口采样该电压,通过一定的计算得到锂电池组的负载电流;系统的显示部分选用了硬件连接简单、控制方便、显示效果丰富的工业串口液晶屏,主控单元电路如图2所示.由于锂电池对电压非常敏感,必须精确测量锂电池的端电压,精确的电压测量也是决定电池管理系统优良的关键因素.常用针对串联锂电池组的电压采样方法主要有串联电阻分压法、浮动地技术法和线性放大器差分采样法等[4].这些方法虽然各有利弊,但是随着微电子技术的发展,单片集成度越来越高,使用单片系统已经成为一种趋势.本系统采用了ADI推出的串联锂电池组电压采集芯片AD7280A,电池电压转换单元的具体电路原理图如图3所示.锂电池充电一般分为3个阶段:预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段,预充电主要针对深度放电的锂电池,以小电流充电来修复深度放电的电池,当锂电池电压上升到一定的值后,便可进入恒流充电,锂电池的电能补充大部分是在恒流充电阶段完成的,此时锂电池端电压不断上升,最后进入恒压充电,维持锂电池端电压不变,充电电流开始下降,直至下降到设定的阈值,锂电池的电能就补充完成.本系统选用了德州仪器(TI)公司推出的同步开关模式电池充电控制器BQ24650,除了包含上述基本功能外,它还拥有温度控制功能,由于锂电池充电的温度范围为0~45℃,当不满足这一条件时,它能自动暂停充电,直到温度重新回到合理范围内,再次开启充电,充电控制单元的原理图如图4所示.锂电池在充电过程中必须严格控制电池端电压,电池一旦过压不但使电池容量受损,而且容易引发安全事故[5].电池均衡方式分为主动式均衡和被动式均衡两种[6],主动式均衡能够将电量相对充足的电池的能量向电量相对低的电池转移,能量的利用率高,并且在充放电阶段都可实现.而主动式均衡控制复杂,成本高,相关技术并不成熟,所以目前应用较广的还是被动式均衡.被动式均衡一般均采用并联电阻方式,将多余的电池能量以热能方式耗散掉,当某节电池需要均衡时,为电池提供一条放电通路,被动式均衡通常用于充电阶段,当电池达到充电上限电压时,避免电池电压继续上升,均衡放电单元电路如图5所示.电池管理系统及其均衡充电系统的软件以KeiluVision4为开发环境,采用C语言编程,系统的软件流程图如图6所示.系统上电之后首先进行系统初始化,包括端口、系统时钟、打开看门狗等设置,然后进入工作循环,启动电池电压的转换,通过SPI通信读取电压转换单元的电压转换结果,接着采集环境温度以及锂电池组的负载电流情况,包括是否有电池电压达到设定的均衡阈值,是否有电池电量不足,环境温度是否在正常范围内等,进行分析判断,根据情况采取措施,最后将锂电池组的各种状态信息进行显示.选取6节串联锂电池组,对每节锂电池进行单独放电处理,使得锂电池组中出现电压不平衡,然后对串联锂电池组进行充电,测量并记录锂电池组在均衡和未均衡情况下充电前和充电后的单节锂电池电压,重复进行多次实验,其中两次实验的数据分别见表1和表2.在串联锂电池组的使用中,如果不采取均衡措施,整个锂电池组的容量取决于在充电状态下最先达到充电上限电压的那节电池,而最先达到充电上限电压的电池容量往往是整个电池组中容量最低的电池,因此,整个锂电池组的实际容量就大大降低.通过上述的实验结果表明,采取了均衡措施以后,每个单节锂电池的能量都能得到有效补充,从而有效避免了这一问题.电池管理系统及其均衡充电的方法搭建了一个基本的电池管理系统模型,主要解决了由于串联锂电池组的物理特性不一致而引起的充电不平衡问题,并且能够对其工作状态进行监视,在出现不正常状态时及时切断主回路,并发出提示信息,从而避免安全事故的发生,为串联锂电池组的安全、高效使用提供了行之有效的解决方案.[1] Vechiu I,Curea O,Camblong H. Transient operation of a four-leg inverter for autonomous applications with unbalanced load [J].IEEE Tra ns actions on Power Electronics,2010,25(2):399-407.[2] 汪世国.电动汽车电池管理系统(BMS)现状分析[J].汽车实用技术,2014(2):65-67.[3] 李仲兴,余峰,郭丽娜. 电动汽车用锂电池组均衡控制算法[J].电力电子技术,2011,45(12):54-56.[4] 王振世.基于MC9S12XET256和AD7280锂电池组管理系统的研究和设计[D].沈阳:辽宁大学,2012.[5] 蒋原,杜晓伟,齐铂金.基于Freescale单片机的电池管理系统设计[J].现代电子技术,2011,34(1):164-166,172.[6] 陈志.电动汽车电池均衡技术的研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.[7] 姜点双,赵久远,宋军,等.电动汽车动力电池管理系统控制方法研究[J].汽车工程学报,2014,4(6):424-429.[8]Santhanagopalan S,White R E. State of charge estimation using an unscent ed filter for high power lithium ion cells[J]. International Journal of Energy Research,2010,34(2):152-163.[9] 邱斌斌,刘和平,杨金林,等.一种磷酸铁锂动力电池组主动均衡充电系统[J].电工电能新技术,2014,33(1):71-75.[10]Oliver G,Steven C. Optimizing electric vehicle battery life through battery t hermal management[J].SAE International Journal of Engines,2011,4(1):1928 -1943.通信作者: 安小雪(1985-),女,助理实验师,硕士,研究方向为机器视觉.E-mail:****************。
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