⑷SmartGuard系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由美國(guó)Aerovironment公司開(kāi)發(fā)的。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)分布式的專(zhuān)用IC管理裝置來(lái)測(cè)量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號(hào)來(lái)時(shí)還可起動(dòng)電流旁路電路。

該系統(tǒng)的主要功能有：

● 過(guò)充保護(hù);

● 當(dāng)放電反向時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào);

● 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(guó)AC Propulsion公司開(kāi)發(fā)的。在該系統(tǒng)中，每個(gè)電池上都裝有監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊經(jīng)過(guò)two_wire總線和中心控制單元通信，向主控單元報(bào)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(gè)分布式系統(tǒng)。

1.2.2系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，國(guó)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(chē)生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商聯(lián)合起來(lái)共同研發(fā)的，高校擁有自己的科技優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)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(dòng)客車(chē)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(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控電池的充放電電流、電壓等參數(shù)，同時(shí)提供了過(guò)充、過(guò)放保護(hù)，這樣就大大提高了電池壽命，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了與該系統(tǒng)相匹配的充電系統(tǒng)。

⑵同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的鋰離子電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)是同濟(jì)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(jì)，均衡保護(hù)，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(zhuān)門(mén)為電動(dòng)汽車(chē)上的電池開(kāi)發(fā)的。

該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微處理器，具有以下功能：

可以實(shí)時(shí)檢測(cè)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(yùn)行參數(shù);

具有故障診斷和報(bào)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(jī)，在PC機(jī)中進(jìn)行標(biāo)定后，再通過(guò)CAN總線與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)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(zhǎng)了電池組的壽命，提高了電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行效率，當(dāng)故障產(chǎn)生后能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，同時(shí)能夠精確的估計(jì)電池組的剩余電量，提高了電動(dòng)車(chē)的可靠性。

1.2.3鋰離子電池保護(hù)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(guò)程中，鋰離子電池易受到過(guò)充、過(guò)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(hù)電路是非常重要的。

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

⑴低功耗電流。

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

⑵檢測(cè)精度要高。過(guò)充電檢測(cè)要求電路的精度高，如果檢測(cè)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(hù)電路對(duì)鋰離子電池進(jìn)行保護(hù)時(shí)，由于單節(jié)鋰離子電池的電壓較低，當(dāng)電池放電時(shí)，電壓就會(huì)進(jìn)一步降低，因此，保護(hù)電路應(yīng)該能在低電壓下工作。

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

⑴采用專(zhuān)用芯片的鋰電池管理系統(tǒng)。在常見(jiàn)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(hù)電路也盡可能小。其次，考慮到電池容量也相對(duì)較小，不需要過(guò)度考慮系統(tǒng)的均衡及保護(hù)問(wèn)題。通常使用專(zhuān)用管理芯片并配合外圍電路即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電池充放電管理及保護(hù)功能。

⑵基于監(jiān)測(cè)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(zhuān)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(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理。我們通過(guò)信號(hào)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(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)判斷電池組中各個(gè)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(jì)，對(duì)鋰電池組進(jìn)行智能化管理保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電能的有效利用和延長(zhǎng)電池壽命的目的。

本文是針對(duì)16節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行均衡保護(hù)設(shè)計(jì)的，而專(zhuān)用芯片最多只能實(shí)現(xiàn)對(duì)13節(jié)電池的保護(hù)，因此，如果采用專(zhuān)用芯片保護(hù)，那么至少需要2個(gè)專(zhuān)用芯片才能實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的成本。另外，采用專(zhuān)用芯片的話，鋰電池組的電池個(gè)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(jī)。

1.3課題意義及主要研究?jī)?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(huì)和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一、突出綠色概念、包括鋰離子電池、無(wú)汞堿錳電池等，滿足了人們對(duì)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(kāi)發(fā)了可重復(fù)使用的鋰離子電池，在無(wú)汞錳電池的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了可充電的無(wú)汞錳電池。三、便攜式電池稱(chēng)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(shí)，在考慮到電池的環(huán)保、性?xún)r(jià)比的同時(shí)，更加注重電池的便攜性。正因?yàn)殇囯x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(shì)。據(jù)權(quán)威部門(mén)預(yù)測(cè)，我國(guó)鋰電池總產(chǎn)值將挑戰(zhàn)100億美元，據(jù)IIT等研究機(jī)構(gòu)推測(cè)，我國(guó)鋰電池行業(yè)的年增長(zhǎng)率將超過(guò)20%，2016年電池總體需求量將達(dá)到50億塊左右?？梢?jiàn)，在當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時(shí)間，鋰電池將稱(chēng)為我國(guó)電池工業(yè)的龍頭。由此可見(jiàn)，研究鋰電池的管理系統(tǒng)顯得尤為重要，是鋰電池進(jìn)一步推廣的一個(gè)關(guān)鍵因素之一。

1.3.2本文的主要研究?jī)?nèi)容

本文是針對(duì)民用電動(dòng)車(chē)上的鋰離子電池組的監(jiān)控管理而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)的主要功能包括鋰離子電池的充放電保護(hù)、單體電池的均衡保護(hù)、電池故障診斷以及上位機(jī)對(duì)電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)控等幾個(gè)方面。

本文的主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：

第一章、研究目的與意義。簡(jiǎn)要介紹鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)及其保護(hù)電路的現(xiàn)狀和當(dāng)前的保護(hù)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(jì)。詳細(xì)介紹了本文設(shè)計(jì)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(jì)。

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

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

第六章、模糊故障診斷。采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池故障的診斷。

第七章、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及結(jié)論。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，重點(diǎn)是對(duì)保護(hù)電路、采集精度的測(cè)試。

本文研究了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鋰電池監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)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(jì)。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)解決了電池均衡和充放電保護(hù)問(wèn)題。通過(guò)軟硬件測(cè)試，該管理系統(tǒng)均衡及保護(hù)電路簡(jiǎn)捷、靈敏、可靠。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。