1、锂电池管理系统的研究与实现 本文由xiaocai138贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 中国海洋大学 硕士学位论文 锂电池管理系统的研究与实现 姓名：周亚楠 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：周东辉 20080601 锂电池管理系统的研究与实现 摘要 近年来，锂离子电池被研究人员用在水下机器人和电动汽车上作为动力能源，锂离子电 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。本文研究了锂电池管理 系统，阐述了系统设计与实现方法。 首先分析了锂电池的工作特性，影响剩余容量的因素，比较了几种估算电池荷电状态 （
2、）的方法，并研究了在本系统中采用的估算方法，即开路电压与电量累积相结合 的方法。 然后设计和实现了一种锂电池管理系统，电池管理系统直接检测及管理锂电池工作的全 过程，包括电池充放电过程、电池安全保护、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断 几个方面。按照电池管理系统的总体控制方案和模块化设计的思路，详细分析了管理系统的 微控制器、数据采样模块、充电控制模块、均衡模块、液晶显示和串口通信的电路设计和软 件实现。 本文设计的锂电池管理系统硬件电路可靠、经济、抗干扰能力强，经实践检验剩余 容量的估计比较准确。 关键词：电池管理系统；：均衡充电； ， （） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：
3、 ； 嗄 ； ； 独创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含未获得 （注；麴遗直墓他盂墓挂别直明鲍：奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：訇亚桶 签字日期：力明年月秀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授
4、权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后 适用本授权书） 学位论文作者签名： 丑桶 导师酶司卒彬 签字日期勐既炉锄纱目 电话：巧礁，卵所 签字日期：妒年月否日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：毽诺象圆名幺 通讯龇蛊乌审窀两区铂西咖亏鳓姨蚴拙。 锂电池管理系统的研究与实现 前言 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
5、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： （）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。 （）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，
6、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。 （）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。 （）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 （ ，即）。 （）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。 （）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： （）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
7、池的状态计量技术。 （）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【】。 锂电池管理系统的研究与实现 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 和 为首 设计的系统及系统；德国的设计的系统；美 国通用汽车公司生产的电动汽车上的电池管理系统；美国公司开发的 系统（ ）；美国 公司开发的名为的高性能电池管理系统【】【。 系统及
8、系统 系统是以 和 为首在年开始设 计的，并于年月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于年月达到如下功 能【】： ?能同时对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。 是系统的改进，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（）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系统，并在那里解码； 装有两条信号输出线来控制充电电流和电压的
9、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； ?与机数据传送采用标准。 锂电池管理系统的研究与实现 系统 德国的设计的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
10、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。 的电池管理系统 通用汽车公司推出的电动汽车由个铅酸蓄电池供电，放电深度，电池寿命是 个深放电周期，公里市内行驶里程（美国环保局指标， ），公里 高速公路行驶里程（美国环保局指标，）【】 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（ ）； ?电池组热系统； ?电池组高压断电保护装置（ ）。 可见，的电池管理系统的核心是。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
11、电动汽车行驶性能； 电量或里程计算； ?高压回流继电器（ ）。 总的说来，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（ ）上。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； 锂电池管理系统的砌究与实现 地线绝缘失效检测： ?自动开关与手动开关连锁。 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）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。 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。 系统 该系统由每个电
12、池上的监控模块和中一控制单元组成一个分布式系统。通过 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： 每个模块提供安培的均充电流； ?模块有温度监控； 总线接口。 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 等为海洋观测系 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
13、： ?温度保护功能，只有在。一。才可进行充电； ?过流保护功能，充电电流低于（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，单体电池电压超过时停止充电； ?过放保护功能，单体电池电压低于。时停止放电； 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 锂电池管理系统的研究与实现 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
14、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。自动关断； 电池管理系统如下图所示： 图 电池管理系统 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
15、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，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，估计，运行状态 气 锂电池管理系统的硼究与实现 判断和保护功能等。春兰研究院的主要功能有：电流电压及电池箱温度的采集， 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
16、的各种运行参数：电池、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；系统参数通过进行标定，通过总线与整车其他系统进行通信实现信息共享。 系统已经在 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计划电动汽车重大专项子课题 的研
17、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
18、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（）、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。 提供和总线接口，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
19、管理系统如下图所 锂电池管理系统的研究与实现 不： 謦孥黪孥黪黪懒， 鬻 图雷天锂电池管理系统 。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。 本论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估算方法，即开路电压与电量累
20、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。 第六章对论文工作进行了总结，并对下一步重点研究的内容做了展望。 锂电池管理系统的研究与实现 锂电池的原理及其特性 锂电池的工作原理 早期的锂电池直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积，并且产生腐蚀 现象，大大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。为了解决这一问题， 人们开发出
21、了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状 结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者从负极转移到正极【】。 锂离子电池的充放电工作过程是通过锂离子电池正负极中的嵌入和脱嵌来实现的，当电 池充电时，正极释放出锂离子于电解质中，这个过程是脱嵌，负极从电解质中吸入锂离子， 这个过程是嵌入，当电池放电时发生与上述相反的过程，这种充放电时锂离子往返的嵌入和 脱嵌过程好像摇椅一样摇来摇去，故有人称锂离子电池为“摇椅电池”。 一般锂离子电池的 负极由碳（）材料构成，正极由锂金属氧化物（）构成，主要的化学反应为： 负极反应：三广一 正极反应： ）也广邪一 （卜） （卜）
22、 （卜） 总反应式：）（） 锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压 平稳、贮存寿命长（相对其他的蓄电池）。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的 多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、 穿刺、冲击（压）等滥用实验（ ），均无危险发生。锂离子电池与镍镉电池（）， 镍氢电池（）电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比电池优越；它的 自放电率远比删一电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把镉（）、汞（）、 铅（）三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是在欧 洲，有些政府大
23、幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。当 然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格比较高等【】。 锂电池的充放电特性 蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为： （）多变量 锂电池管理系统的研究与实现 影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等 等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。 （）非线性 般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或 恒压控制充电全过程。 （）复杂的电化学性 即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的 不一样，充电接受能力也有很大的不同【。 作为给水下机器人提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复 杂，尤其是过充电和过放电会对电池的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和 性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。 如果控制不当的话，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。 锂离子电池的标称电压为，充满电压为，对过充电和过放电都比较敏感。为了 最大限度减少锂电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害，单体锂离子电池的充电电压 必须严格限制。 不同的电池可能具有
