一种新型锂电池管理系统的设计与实现

随着社会的发展，锂电池在生产生活的各个领域应用非常广泛，电池的应用与管理变成了各种设备发展中一种非常关键的技术。本文通过对锂电池技术的研究，设计了一种新型的关于锂电池的管理系统，并介绍了实现方法。该锂电池管理系统的设计，实施了分布式的结构设计，内容包含有电量估计，电池充电与放电，单个电池间的均衡等功能本地测量模块，具体分析了实现各个模块的硬件设计。

本世纪初以来，锂电池生产与研究获得了非常大的突破，因其拥有的诸多良好优点，如放电电压稳定，自放电率低，工作温度范围宽，无记忆效应，储存寿命长，重量轻，体积小等特点，已经慢慢地代替了传统的镍镉蓄电池及铅酸蓄电池，在社会生产和生活的应用领域越来越宽，变成了目前主流的动力电池。因为在锂电池内部，其化学反应非常复杂，在人们不断完善电池自身性能的同时，也在对电池的管理技术及使用进行不断的研究，以增加电池使用寿命，提高电池效率，最大地发挥电池性能。

电池管理系统（Battery Management System，BMS），它涉及微电脑技术及检测等技术，实施动态地监控电池单元及电池组的运行状态，能够准确地计算电池的剩余电量，对电池实施充放电保护，促使其处在最佳工作状态，降低运行成本，提高使用寿命。本文综合了国内外的一些先进成果，设计并实现了一种新的锂电池管理系统。本管理系统结构采用模块化、分布式的设计，系统包含2级的控制结构，即本地测量模块与中央处理模块。其中，中央处理模块主要的功能为利用RS232接口和上位机实施通信，以CAN总线网络形式进行和本地测量模块连通；本地测量模块主要的功能为数据采集（主要为温度、电流及电压的数据采集），充放电控制，电量测量，单个电池均衡及利用CAN总线技术与中央处理模块通信等。

1管理系统硬件设计方案

本文设计的电池管理系统，主要是应用在电动车及一些水下设备，因此系统设计上要结构合理，技术先进，可扩展性强；系统的各种参数技术准确度要高。因此，本电池管理系统的设计，要实现以下各种功能：

1）实时采集电池信息，包含电池组总电压，单个电池电压，充放电电流及温度等参数；

2）测量和显示剩余电量；

3）能够提供数据传输接口，完成和CAN总线部分及上位机的通信；

4）人机交互功能好，系统安全、可靠，具有较强的抗干扰性。

电池管理系统框图如图1所示。

在图1中能够看出，本锂电池管理系统包含2级的控制结构，分别是中央处理模块（Central Electric Control Unit，CECU）、本地测量模块（Local Electric Control Unit，LECU），中央处理模块和本地测量模块是以CAN总线的形式实现通信连接。本电池管理系统结构如图2所示。在图2中，本地测量模块的主要功能是进行对电池组的充电，组成模块有：数据采集模块（为要为电流，电压，温度等的数据采集），均衡模块，充电模块，电量测量模块等；中央处理模块主要是进行本地测量模块的管理，利用CAN总线通信方式，进行控制信息的发送和电池状态信息的接收。本文仅对其中几个关键的模块进行介绍。

2本地测量模块硬件设计

2.1电压采集模块

单电池端电压，其为实施电池剩余电量计算，充放电方式选择，以及运行状态评估的一个主要依据，所以对电池组进行监控的前提条件，就是要有一个合理的单电池端电压测量方法。然而因为电池组中电池数目多，总的电压比较高，测量的精度要求高，因而实施电源测量的难度比较大。电压监测方案的工作原理是：第一步，MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2（n为数1至7之间），同步把电容与与之对应的单元电池两端实施对接，开始电容充电，达到电容电压与单元电池电压相同的目的；第二步，将MCU控制多路开关Kn-1、Kn-2进行断开，并把开关K1及K2合上，接到单片机的A/D模块实施测量。在测量的时候，基于防止因电池端电压不稳定造成影响结果的考虑，模块采用选取多次测量平均值的办法。该方案能够很方便地使用微处理器内部A/D单元，不要额外增加A/D模块，提高了设计的效率，节省了成本。通常在实际的电路中，可以使用继电器来实现模拟开关。

2.2电流采集模块

对于充放电过程中动态电流的测量，本文通过使用LEM公司LTSR25-NP电流传感器来实现。此元件是基于霍尔效应的带补偿的闭环多量程电流传感器，通过单极性电压的方式进行供电，拥有良好的测量精度，没有插入损耗，线性度出色，电流过载能力比较好。在摄氏25度以下，其测量精度能够达到±0.2%。其额定电流是25安，最大的可测电流是80安，能