引言

鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為動(dòng)力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時(shí)變特性，因此在應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行一定的管理。另外鋰電池對(duì)充放電的要求很高，當(dāng)出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時(shí)，會(huì)使鋰電池溫度上升，嚴(yán)重破壞鋰電池性能，導(dǎo)致電池壽命縮短。當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于動(dòng)力設(shè)備中時(shí)，由于各單節(jié)鋰電池間內(nèi)部特性的不一致，會(huì)導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時(shí)，整個(gè)電池組的行為特征都會(huì)受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能，延長使用壽命，必須要對(duì)鋰電池在充、放電時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供過壓、過流、溫度保護(hù)和電池間能量均衡。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)安裝在鋰電池組的內(nèi)部，以單片機(jī)為控制核心，在實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)鋰電池能量均衡的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)過充、過放、過流、溫度保護(hù)及短路保護(hù)。通過LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過預(yù)留的通信端口讀取各節(jié)鋰電池的歷史性能狀態(tài)。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力鋰電池智能管理系統(tǒng)主要由充電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(包括電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)采集)、均衡模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，通過采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態(tài)及是否有過流現(xiàn)象，并對(duì)其狀態(tài)做出相應(yīng)處理。對(duì)各節(jié)電池電壓進(jìn)行采集分析后，系統(tǒng)決定是否啟動(dòng)均衡模塊對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行能量均衡，同時(shí)判斷是否有過充或過放現(xiàn)象。溫度的采集主要用于系統(tǒng)的過溫保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電流、各節(jié)電壓、剩余電量及溫度信息都會(huì)通過液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。下面對(duì)其各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹。

微控制器 ATmega8

本系統(tǒng)采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機(jī)ATmega8。該單片機(jī)具備AVR高檔單片機(jī)系列的全部性能和特點(diǎn)，支持在線編程(ISP)，只需要一條可自制的下載線就可以進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)。其中ATmega8單片機(jī)有6路A/D轉(zhuǎn)換通道，其中有4路為10位精度，在設(shè)計(jì)中可直接用于電池電壓的測(cè)量。ATmega8的各項(xiàng)性能使其成為適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特別適合在開發(fā)階段使用。

充電控制模塊原理與實(shí)現(xiàn)

鋰電池常規(guī)充電法是按預(yù)充、恒流、恒壓三個(gè)階段進(jìn)行的，時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)充電法時(shí)序圖

由于管理系統(tǒng)是隨電池組一起放在電池箱內(nèi)，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環(huán)控制，就會(huì)使該管理系統(tǒng)的通用性降低。為實(shí)現(xiàn)高通用性，使管理系統(tǒng)和外部的充電器單獨(dú)工作，本電池管理系統(tǒng)采用間歇式充電法，如圖3所示。