锂电池管理系统的研究与实现 — 研究目的与意义

一、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：

（1）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。

（2）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，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。

（3）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。

（4）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（State of Charge，即SOC）。

（5）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。

（6）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：

（1）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，即储能电池的SOC状态计量技术。

（2）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。

二、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Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOaCH系统；德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统。

1、BADICHEQ系统及BADICOaCH系统BADICHEQ系统是以Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首在1991年开始设计的，并于1991年12月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于1992年4月达到如下功能：

● 能同时对20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PC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。

BADICOaCH是BADICHEQ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（WLC）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BADICOaCH系统，并在那里解码；

● 装有两条PWM信号输出线来控制充电电流和电压的大小；

● 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24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PC机数据传送采用RS232标准。

2、BATTMAN系统德国的B.Hauck设计的BATTMAN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。

3、EV1的电池管理系统通用汽车公司推出的EVl电动汽车由26个铅酸蓄电池供电，放电深度80%，电池寿命是450个深放电周期，113公里市内行驶里程（美国