1、青岛科技大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 锂离子电池监控系统概述 锂离子电池是一种新能源，它具有很多优点，例如：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。因此，从 20 世纪 90 年代开始，人们对它进行了大量的研究和生产，现在已经逐渐取代了铅酸蓄电池、镍镉蓄电池。锂离子电池的应用领域也非常广泛，例如笔记本电脑、通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动自行车以及电动汽车等装置中都采用它作为其动力能源。但是，在使用时，锂离子电池也有其自身的缺点。 1.1.1锂电池目前存在的问题 （ 1）锂离子电池在充电时，正极中的锂离子溶出太多回不
2、到原来的状态，致使电池放电时锂离子不能填充到正极的通道。表现为电池充电充不进去造成永久性破坏。 （ 2）锂离子电池放电放到终点时，内部物质就会发生质变，即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落，下次充电时，没有锂离子的负极石墨层就不能保证回路通畅，所以要采取措施控制放电电压的大小； （ 3）如果不慎使电池短路或者充放电电流过大，会使电池内部温度过高而耗损能量，这样会缩短放电时间。 1.1.2锂电池监控系统要解决的关键问题 由于上面一些问题的困扰，锂离子电池的监控管理成为 推动锂离子电池发展的关键技术之一。本系统通过对锂离子电池组的电压、电流和温度信号的检测和判断，来实现对电池组充放电过程中所出现的过
3、充、过放、短路以及均衡现象进行保护，并且采用模糊控制方法来实现对电池故障的诊断。从当前的情况来看，本系统关键需要解决以下两个问题： （ 1）通过信号检测电路采集到电压、电流和温度参数后，如何根据这些参数和充放电过程中的一些历史数据，建立故障诊断的模糊控制规则，即模糊控制故障诊断技术。 （ 2）锂离子电池组在充放电的过程中容易出现单体电池间不均衡现象，这种情况会大大影响锂离子电池的使用 寿命，因此均衡充电技术是本系统需要致电池检测充放电设备 _单片机控制电路设计 2 力研究的另一项关键技术。 1.2 系统的国内外现状及几种常用方案 1.2.1 系统的国外现状 在过去的 20 年里，国外对锂离子电
4、池组的监控管理系统进行了广泛和深入的研究。这些研究都是为了确保锂离子电池能够正常稳定的工作。尤其是在近十几年里，随着电动汽车的出现，国外一些大的汽车生产商和电池生产商针对锂离子电池做了大量的研究和实验，成功研发了多种锂离子电池组管理系统。例如： （ 1） BADICHEQ 系统。 德国的 Mentzer Electronic GmbH 和 Werner Retzlaff 经过大量的实验，在 1991 年设计了 BADICHEQ 系统，该系统能够同时进行多个电压测量（最多 20 个），另外可以对电流和温度进行测量，可以控制充电机的充电电流，可以储存历史数据，可以实现单体电池的均衡充电，具有仪表盘
5、显示功能，可以显示电池单元的剩余电量以及各种异常报警，可以与 PC 机进行数据通信。 （ 2） BATTMAN 系统。该系统是德国 B.Hauck 设计的。该系统可以实现对不同型号电池组的管理，将不同型号电池组做成一个系统，然后通过硬件和软件两方面来选择。在硬件方面，通过改变硬件的跳线； 在软件方面，通过增加选择参数的办法。 （ 3）电动汽车 EV1 上的电池管理系统。 该系统是美国通用汽车公司生产的。该系统最大的优点就是电池组的可靠性非常高。该系统由四部分组成：电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）；软件 BPM（ Battery Pack Module）；电池组热系统；电池组高压断电保护装
6、置（ High VoltageDisconnect）。软件 BPM 主要完成以下工作：单体电池电压检测、高压保护功能、六路温度采样、电流采样、电池组充电控制、过放保护以及电量估计等。 （ 4） BatOpt 系统。 该系统是 由美国 AC Propulsion 公司开发的。在该系统中，每个电池上都装有监控模块，监控模块经过 two_wire 总线和中心控制单元通信，向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元接收到上述信息后，发出相应的控制命令，这样就构成了一个分布式系统。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 3 1.2.2 系统的国内现状 相对于国外来说，国内的锂离子电池组监控管理系统主要是由
7、高校与一些汽车生产商和电池供应商联合起来共同研发的，高校拥有自己的科技优势，经过多年的努力，研发了许多可靠的电池管理系统并已经投入使用。 （ 1） EV-6580 轻型电动客车配套的电池管 理系统 27。该系统是由清华大学研发的。该系统可以实时测量和监控电池的充放电电流、电压等参数，同时提供了过充、过放保护，这样就大大提高了电池寿命，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。 （ 2）同济大学研发的锂离子电池管理系统该系统是同济大学与北京星恒电池有限公司合作研发的。该系统的主要功能有：电压、电流和温度的精确采集，电池电量估计，均衡保护，事故处理与记录等。 （ 3）北京理工大学研制的电池管理系统该系
8、统是专门为电动汽车上的电池开发的。该系统采用单片机作为微处理器，具有以下功能：可以实时检测电池电量、电 池组总电压、总电流和各单体电池电压以及电池组温度等各种运行参数；具有故障诊断和报警功能；采用分布式网络控制系统结构，系统参数送入 PC 机，在 PC 机中进行标定后，再通过 CAN 总线与其他系统进行通信，实现信息共享。系统已经投入安装使用，结果表明该系统大大延长了电池组的寿命，提高了电动车的运行效率，当故障产生后能够及时发现进行处理，同时能够精确的估计电池组的剩余电量，提高了电动车的可靠性。 1.2.3 锂离子电池保护的常用方案 从前面的介绍中，我们可以看到，在锂离子电池组的使用过程中，锂
9、离子电池易受到过 充、过放的影响，大大减少锂离子电池的使用寿命。因此，锂离子电池组的保护电路是非常重要的。锂离子电池组保护电路首先应当具有对锂离子电池组的过充保护、过放保护、均衡保护功能。在目前来说，常用的锂离子电池管理方法主要有两种： （ 1）采用专用芯片的锂电池管理系统。在常见的便携式设备中，通常使用容量较小的锂电池。首先，考虑的便携式设备的需求，通常要求系统的保护电路也尽可能小。其次，考虑到电池容量也相对较小，不需要过度考虑系统的均衡及保护问题。通常使用专用管理芯片并配合外围电路即可实现简单的电池充放电管理及保护功能。 （ 2）基于监测的锂电池管理系统。在大容量的锂电池应用系统中，专用的
10、电池检测充放电设备 _单片机控制电路设计 4 锂电池管理芯片已不能满足需要，需要采用采用微控制器来实现系统管理。我们通过信号采集电路采集电池组的各种数据，然后将这些数据送入微控制器进行分析，根据分析结果来判断电池组中各个电池的工作状态好坏，依据系统的硬件和软件设计，对锂电池组进行智能化管理保护，从而实现对锂电池电能的有效利用和延长电池寿命的目的。本课题是针对 16 节锂离子电池组进行均衡保护设计的，而专用芯片最多只能实现对 13 节电池的保护，因此，如果采用专用芯片保护，那么至少需要 2 个专用芯片才能实现，提高了系统的成本。另外，采用专用芯片的话，锂电池组的电池个数将固定，这样系统的灵活性较
11、低。综合多方面的考虑，本课题采用基于微控制器锂离子电池监控系统的方案，微控制器选用低功耗的 MSP430 单片机。 1.3 课题意义及主要研究内容 锂电池是 20 世纪末才出现的绿色高效能可充电电池，目前随着锂离子电池的推广及大量应用，锂离子电池深受社会和用户的欢迎。日常生活中，人们所用的手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备均已使用锂离子电池作为电源。当前，随着各式各样的电池出现，用户在选用电 池时，在考虑到电池的环保、性价比的同时，更加注重电池的便携性。正因为锂离子电池具有高的体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术的发展趋势。据权威部门预测，我国锂电池行业的年增长率将超过 20%
12、， 2016 年电池总体需求量将达到50 亿块左右。可见，在当前和今后相当一段时间，锂电池将称为我国电池工业的龙头。由此可见，研究锂电池的管理系统显得尤为重要，是锂电池进一步推广的一个关键因素之一。 本系统的主要功能包括锂离子电池的充放电保护、单体电池的均衡保护、及软件设计和测试等几个方面。本论文的主要内容首先简要介绍 锂电池监控系统及其保护电路的现状和当前的保护方案。然后分析电池特性、电量管理、及锂离子电池的采取均衡措施的原因及常用方法。其次详细介绍了本文设计的锂离子电池监控系统的硬件总体方案，并详细介绍了各模块的硬件电路设计。再次详细介绍了系统的下位机软件设计流程及系统各模块的软件设计方法
13、。最后在系统软硬件设计完成后，对系统进行了测试，重点是对保护电路、采集精度的测试。 青岛科技大学本科毕业设计（论文） 5 2 锂离子电池监控系统基础研究 2.1 锂离子电池技术 锂是世界最轻的金属，是 1990 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，它所构成的电池具 有非常多的优点： （ 1）高容量，高密度。锂电池的输出电压近 4V，是单节镍镉、镍氢电池的 3 倍，能够比镍氢电池存储更多的能量。 （ 2）尺寸小，重量轻。 （ 3）无记忆效应。锂电池不需要定期放电，不管残余电量多少，都可以进行充电，非常方便。 （ 4）自放电率小，循环寿命长。 .锂电池自放电率为每月 2%5%，而镍镉，镍
14、氢等电池自放电率达到 20%。 （ 5）充放电寿命长。经过 500 次重复充放电后，其容量至少相当于新电池的 70%以上。锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成污染，虽然目前价格比较贵，随着技术进步以及生产规模的 扩大，仍有较大降价空间。 锂电池是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。 但是锂电池也有其自身的缺点，锂电池在使用过程中，易受到过充、过放和短路等现象
15、的影响，从而产生损害。其电池的充电电压必须进行严格限制。最低放电电压为 2.7 3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒 流转恒压方式进行充电。采用大电流充电至 4.2V 时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态，因此锂电池需使用专用的充电器。另外，锂电池价格比较昂贵，影响锂电池的应用。 2.2 锂离子电池特性 2.2.1 锂电池充电特性 电池检测充放电设备 _单片机控制电路设计 6 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 : （ 1）多变量 影
16、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 15。 （ 2）非线性 在电池充电的过程中，一般不能只用简单恒流或恒压充电方式，因为充电电流在充电过程中会出现非线性变化，其电流值会随充电时间呈指数规律下降。 （ 3）复杂的电化学性 经过多次的充放电后，电池的充放电能力将出现很大的不同，电池的容量将会不一致，即使是同一类型的电池也是一样 26。 针对以前这些复杂的现象，在目前，提出了一种有效的充电方式 恒流转恒压的充电方式。当电池容量比较低时，该充电方式首先采用恒流充电，例如额定容量为 2000mah 的电池充电，采用
17、 2A电流充电，大 概 40 分钟电池电压就能上升到设定值（ 4.2V），然后转入恒压方式充电，就是电压维持 4.2V，这时充电电流会迅速下降。在恒压充电期间，对电压精度的要求很高，必须维持在 4.2V 42mV 的范围内，也就是说误差不能超过 1%。如果不控制电压值，使电压上升到 4.5V 的话，会对锂电池造成永久性的损害。在这个期间，充电电流也会逐渐减小到一个范围，以小电流继续对电池充电，最后使电池容量达到额定值。这个过程大概持续 80 分钟就能充满。如果采用 1A 电流充电，大概 100 分钟电池电压上升到 4.2V，约 2.5 小时充满电。选择的充电电流 不同，但是都能充满，就是花费时
18、间长短问题。恒流转恒压的充电方式能使电池达到满充状态，并且不损害电池，大大提高了电池的使用寿命和效率，目前成为锂电池最主要的一种充电方式。 2.2.2 锂电池放电特性 锂电池放电只需要注意很少几点，放电电流不能过大，当锂电池的放电速率超过 2C 时（ C 为电池的容量），会使锂电池的温度急剧升高，从而严重发热，会对锂电池的内部造成损坏，影响其使用寿命。其次就是过放，锂电池最怕过放，一般放电电压低于 2.7V 将可能导致电池报废。 2.2.3 最佳工作温度 环境温度对锂电池的容量有很大的影响 。虽然锂电池的使用温度范围可以在 -20 60之间，但是当温度过低或过高都会影响到锂电池的放电容量。实青
19、岛科技大学本科毕业设计（论文） 7 验表明：当放电速率为 0.2C 时，环境温度为 25时，可放出额定容量；当环境温度为 -10时，电池容量下降约 5%，当环境温度为 -20时，电池容量下降约10%。由此可见，环境温度为 25 摄氏度时，是锂电池的理想工作温度，在这个温度下，电池能发挥它的最大性能。 2.2.4 自放电率 所有电池在开路的情况下会出现正负极自放电，这会使电池的容量下降。但是锂电池的自放电率非常小，远远低于镍镉电池、镍氢电池。 2.2.5 电池使用寿命 经实验表明，锂电池的使用寿命远远大于其他电池，其充放电次数为600-1000 次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电数一般为 300-
20、600 次。锂电池的充电次数具体视充电周期而定，一个充电周期意味着用完电池的所有电量，但并不等同于充一次电。例如，可以只用了一半的电量，然后又为它充满电，再用了一半的电量，然后又为它充满电，这只能算作一个充电周期，而不是两个，因此，你可能要花几次完成一个周期。每完成一个充电周期，电池容量就会减少一点。 2.3 锂电池充电管理 在锂电池监控管理系统中另一个重要部分就是对锂 电池的充电管理。目前来说，主要存在两种充电模式，一种是恒流恒压的充电模式，另一种是脉冲电流充电的模式。根据这两种充电模式，目前主要存在三种充电方式：线性充电方式、开关充电方式和脉冲充电方式。其中，线性充电和开关充电采用的都是恒
21、流恒压的充电模式 8。 2.3.1 线性充电方式 线性充电方式主要应用于对噪声敏感的无线设备，其优点是成本最低，复杂度最小，同时在三种方式中其传导和辐射干扰是最小的。但是这种充电方式有一个很大的缺点，就是功率损耗较大。基于线性充电方式的这些优缺点，这种充电方式在小功率便携设备充电方案 中具有很大的市场。 线性充电方式检测电池电压来决定其充电状态 26。当电池电压小于某阈值电压时，处于预充电状态，此时以较小的电流对电池进行充电，预充电使电池电压达到阈值电压后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流可以调整。电池检测充放电设备 _单片机控制电路设计 8 恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电
22、压（一般为 4.2V）后，进入恒定电压充电状态。在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于某阈值时，充电结束。充电结束后，对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。 2.3.2 开关充电方式 相对于线性充电方式来说，开关充电方式具有最大的优点就是低损耗，这种充电方式能够在宽输入电压范围和任意电池端压范围内保持一个很低的损耗。线性充电方式由于其高损耗的缺点，在一些散热条件差、环境温度比较高的场所使用，可能会产生非常严重的后果。因此，在这种环境下，采用开关充电方式是非常必要的。但是开关充电方式也有其自身的缺点，这种方式所搭建的电路体积较大、复杂度
23、较高，另外还有一些干扰问题。 2.3.3 脉冲充电方式 脉冲充电方式是一种新型的充电方式，其充电过程在前半部分与恒流 -恒压充电方式是相同的，都是在开始时采用 恒流对电池充电，当电池电压上升到 4.2V以后，开始转入真正的脉冲充电阶段，而不是恒压充电。在脉冲充电阶段，充电器间歇性的对电流进行充电，充电电流值与在恒流充电阶段相同。经过一定时间，当电池电压超过 4.2V 后，充电回路被切断，电压会慢慢下降。下降到一定值后在打开充电回路继续充电，重复进行这些过程，直到电压的下降速度足够慢，认为电池满电量。脉冲充电方式综合了开关方式和线性方式的优点。这种充电方式不会产生热损耗，且效率很高，而且由于这种
24、方式没有额外的输出滤波电路，因此不会产生干扰。但是，脉冲充电方式也有其自身的缺 点，就是成本比较高。这是由于它需要一个有限流功能的电源。 2.4 电池电量管理 锂离子电池的特性对设备的正常工作有很大影响。在实际应用中 ,要求锂离子电池能够满足工作的功率需求 ,并且要求维持正常工作的时间尽量长。锂离子电池电量管理是锂离子电池的关键技术之一。实现锂离子电池的电量管理 ,可提升电池组的安全性、效率、寿命，从而提升系统的整体性能。此外，大多数应用场合需要显示电池组的剩余电量信息，以供使用者明确电池组的工作状态，及时对电池组进行充电。 SOC 指的是电池剩余电量值，它是电池使用过程中的重要参数。在对电池
25、青岛科技大学本科毕业设计（论文） 9 进行管理的过程中，必须要对电池的剩余电量也就是 SOC 进行估计。 SOC 估计与电池自身的特性和外界的因素有很大的关系。其中，最主要的因素有环境温度、充放电效率、自放电、电池的循环寿命等。另外，选用合适的 SOC 估计算法来进行剩余电量计算也是非常重要的。常见 SOC 估算方法有放电实验法、开路电压法、安培积分法等 27。 （ 1）放电实验法 这种 SOC 估计算法是精确估算电池剩余电量的最可靠方法，在实验室中经常采用这种方法。但是，当电池处于动态时，这种方法不适用。这种估算方法的策略比较简单，采用恒流将电池放电至截止电压， 电流与时间的乘积就是剩余电量
26、。 （ 2）开路电压法 开路电压法是指当电池处于开路的状态时，其电压值与 SOC 之间存在一个基本上趋于线性的比例关系。因此，我们只需要测量电池的开路电压值，就可以得到其 SOC 值，这种估算方法是最简单的。 （ 3）安培积分法 安培积分法是比较复杂，需要考虑很多因素，例如温度、充放电效率，自放电率等，如果忽略这些因素，那么在对电池电量进行估计时会产生误差，这些误差会随时间而逐渐累加，最终对估算结果造成很大的影响。因此，在实际使用中，安培积分法一般都是与其它方法结合使用而不单独使用。 安培积分法就是指通过计算电池在充放电过程中的容量变化的差值，获得电池的剩余容量。即电池的剩余电量 =(总电量
27、)-(已放出的电量 )，需要对电池进行长时间的监测，从而能够得到任意时刻电池的安时电量，然后对电流进行积分从而得到已放出的电量。本系统选择采用开路电压法。但是，电池不是一个简单的模型，它的电量会受到很多因素的影响，忽略这些因素会给电量估计带来较大的偏差。因此 SOC 估计需要加入各种补偿。 SOC 的补偿主要为充电率补偿、放电率补偿和温度补偿。将这些需要补偿的因素考虑进来以后，就可以对 SOC 进行较精确的 估计。 2.5 电池均衡管理 由于单体锂离子电池的电压只有 4.2V，因此在许多设备中无法单独使用。我们需要将其串联起来构成锂电池组，这样可以得到较高的电压或较大的功率，方便应用于各种设备
28、中。 电池检测充放电设备 _单片机控制电路设计 10 但是锂离子电池在串联使用时，当对锂电池组进行充电的过程中，单体锂离子电池之间会出现不均衡的问题，时间长了会导致电池组中各单体电池容量的不一致，这样势必会影响锂离子电池的使用寿命。为了保证电池组中各单体电池的一致性，我们需要设计均衡保护电路。 2.5.1 电池失衡的原因 由于同一型号的锂离子电池其内部特性都存在差异，而 且锂离子电池的使用次数和外部环境不同，因此，会导致锂电池组中单体电池的容量差异。但是，在对锂电池组进行充 /放电的过程中，流过每一个单体电池的电流是相同的。这样，在充电时，容量小的电池会被先充满，单锂电池组会继续充电，这样势必
29、会造成容量小的电池过充；同理，在放电过程中，容量小的放电快，容易造成过放。当出现过充和过放的现象，会影响该单体电池的使用寿命，同时会影响到锂电池组的整体放电能力。因此，为了解决锂离子电池组在充放电过程中产生的不均衡现象，需要在电池监控管理系统中设计均衡电路。 2.5.2 电池组均衡的方法 电池组均衡是指通过合适的电路和控制方法，调节电压较高的单节电池，达到各节一致的目的。目前国外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和无能耗的方法。 （ 1）能量损耗型均衡法 在对锂电池组均衡时，主要依据锂电池组中单体电池的端电压是否相同来判断整个电池组是否处于均衡状态。能耗型均衡电路的基本思路就是通过对单体电池电压
30、值的检测，把电压高的电池单元中多余的能量通过电阻消耗掉。一种比较简单的均衡方法是电阻旁路法 13。电池组中每一个电池单元都并联一个分流电阻，当系统检测到电池组中某单体电池电压过高时，闭合旁路开关，接通 旁路，利用分流电阻对该电池进行放电，将多余的能量通过分流电阻进行消耗。当信号检测电路检测到该单体电池电压下降到与电池组中其它电池一致时，认为电池组趋向于均衡，打开旁路开关，停止分流电阻对电池的进一步放电。这种均衡电路主要应用于小电流充放电的系统中。 （ 2）非能量损耗型均衡法 能量损耗性均衡法由于通过分流电阻来释放多余的能量，因此会在电路中产生较大的热量，对整个系统的散热产生很大的影响，特别是在功率较大或者充放电电流比较大的系统中。因此，对于大功率大电流系统，通常采用非能量
