锂离子电池组监控系统研究与实现 ― 研究目的与意义

1 锂离子电池监控系统概述

锂离子电池是一种新能源，它具有很多优点，例如：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。

因此，从20世纪90年代开始，人们对它进行了大量的研究和生产，现在已经逐渐取代了铅酸蓄电池、镍镉蓄电池。锂离子电池的应用领域也非常广泛，例如笔记本电脑、通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动自行车以及电动汽车等装置中都采用它作为其动力能源。

但是，在使用时，锂离子电池也有其自身的缺点：

⑴锂离子电池在充电时，正极中的锂离子溶出太多回不到原来的状态，致使电池放电时锂离子不能填充到正极的通道。表现为电池充电充不进去造成永久性破坏。这样必须采取限制充电电压的方式来控制锂离子溶出量的措施;

⑵锂离子电池放电放到终点时，内部物质就会发生质变，即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落，下次充电时，没有锂离子的负极石墨层就不能保证回路通畅，所以要采取措施控制放电电压的大小;

⑶如果不慎使电池短路或者充放电电流过大，会使电池内部温度过高而耗损能量，这样会缩短放电时间。

因此，锂离子电池的监控管理成为推动锂离子电池发展的关键技术之一。

本系统通过对锂离子电池组的电压、电流和温度信号的检测和判断，来实现对电池组充放电过程中所出现的过充、过放、短路以及均衡现象进行保护，并且采用模糊控制方法来实现对电池故障的诊断。

(1)信号检测：包括电压信号、电流信号和温度信号的检测。电压信号包括对锂离子电池组总电压检测和对各节电池的单体电压检测;对于电流信号的检测，由于电池组是串联的，因此只需要检测总电流即可;另外需要检测锂离子电池组的温度信号，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。

(2)保护电路：通过信号检测电路实时采集锂离子电池组的电压、电流和温度参数，根据参数值，及时发现异常情况，从而实现对锂离子电池组的过充、过放、短路以及均衡的保护。

(3)电池故障诊断：即依据所测单个电池温度、电压等参数采用模糊控制技术做出故障诊断处理。

(4)电量估计：即电池剩余电量的测量，依据所测电压值估测锂离子电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)。

从当前的情况来看，本系统关键需要解决以下两个问题：

(1)通过信号检测电路采集到电压、电流和温度参数后，如何根据这些参数和充放电过程中的一些历史数据，建立故障诊断的模糊控制规则，即模糊控制故障诊断技术。

(2)锂离子电池组在充放电的过程中容易出现单体电池间不均衡现象，这种情况会大大影响锂离子电池的使用寿命，因此均衡充电技术是本系统需要致力研究的另一项关键技术。

1.2系统的国内外现状及几种常用方案

1.2.1系统的国外现状在过去的20年里，国外对锂离子电池组的监控管理系统进行了广泛和深入的研究。这些研究都是为了确保锂离子电池能够正常稳定的工作。尤其是在近十几年里，随着电动汽车的出现，国外一些大的汽车生产商和电池生产商针对锂离子电池做了大量的研究和实验，成功研发了多种锂离子电池组管理系统。例如：

⑴BADICHEQ系统及BADICOaCH系统。

德国的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff经过大量的实验，在1991年设计了BADICHEQ系统，该系统具有以下几个功能：

⑴多个电池能够同时进行电压测量(最多20个)，另外可以对电流和温度进行测量;

⑵电池单元可以控制充电机的充电电流;

⑶可以储存历史数据;

⑷可以实现单体电池的均衡充电;

⑸具有仪表盘显示功能，可以显示电池单元的剩余电量以及各种异常报警;

⑹可以与PC机进行数据通信。

在BADICHEQ系统的基础上进行了一些改进，设计出BADICOaCH系统，该系统具有以下功能：

⑴每个电池单元都加有非线性电路，通过该电路完成对单体电池电压的测量，并且将该电池组所有电池的电压值由一根信号线送入该系统解码;

⑵采用RS232标准与PC机进行通信;

⑶当发现最差电池单元时，首先显示该电池

单元的剩余电量，其次对该电池进行过放保护并停止使用;⑷存贮最近24个充放电周期的详细数据;⑸当判断电池好坏时，允许快速查找电池基本信息和错误使用情况;⑹可以控制充电电流和电压值，采用两条PWM信号输出线来实现。

⑵BATTMAN系统。

该系统是德国B.Hauck设计的。该系统可以实现对不同型号电池组的管理，将不同型号电池组做成一个系统，然后通过硬件和软件两方面来选择。在硬件方面，通过改变硬件的跳线;在软件方面，通过增加选择参数的办法。

⑶电动汽车EV1上的电池管理系统。

该系统是美国通用汽车公司生产的。该系统最大的优点就是电池组的可靠性非常高。

该系统由四部分组成：

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)。

软件BPM主要完成以下工作：

单体电池电压检测、高压保护功能、六路温度采样、电流采样、电池组充电控制、过放保护以及电量估计等。