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        電動(dòng)自行車(chē)新型鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2014-05-26 00:54:13劉毅等
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年16期
        關(guān)鍵詞:電動(dòng)自行車(chē)鋰離子

        劉毅等

        摘 要:近年來(lái),我國(guó)的霧霾天氣越發(fā)嚴(yán)重,而霧霾的罪魁禍?zhǔn)字痪褪瞧?chē)燃油尾氣,研究和發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型清潔能源成為汽車(chē)工業(yè)的必然趨勢(shì)。電動(dòng)自行車(chē)電池的安全性、耐用性一直是制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素,而電池的關(guān)鍵在于其。本文從電動(dòng)自行車(chē)鋰電池管理的均衡、保護(hù)及SOC估算等方面進(jìn)行研究,并通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化的新型鋰電池管理系統(tǒng)。

        關(guān)鍵詞:鋰離子;電池管理系統(tǒng);電動(dòng)自行車(chē)

        引言

        早期的電動(dòng)自行車(chē)受成本限制大多采用鉛酸電池,該類(lèi)電池存在能量密度比低、循環(huán)壽命短的致命缺點(diǎn)。相對(duì)而言,鋰離子電池輕便高效逐漸成為車(chē)用電池的市場(chǎng)主流,但鋰離子電池也存在三大問(wèn)題:安全問(wèn)題(對(duì)使用環(huán)境的要求高),單體電池離散性大的問(wèn)題(一致性差),以及如何合理使用的問(wèn)題(鋰離子電池的使用壽命直接受使用方式的影響)。本文將從上述問(wèn)題出發(fā),對(duì)電動(dòng)自行車(chē)鋰離子電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì),通過(guò)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)解決鋰電池應(yīng)用困難,發(fā)揮其能量密度優(yōu)勢(shì),延長(zhǎng)其使用壽命。

        1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

        本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池管理系統(tǒng)(Battery Management System),如圖1所示,主要由電池組SOC估算模塊和電池組均衡和保護(hù)模塊兩個(gè)部分組成,電動(dòng)車(chē)中央管理系統(tǒng)通過(guò)I2C總線(xiàn)與這兩個(gè)模塊進(jìn)行通信,電池組均衡和保護(hù)模塊可以獨(dú)立完成電池的故障保護(hù)和均衡功能,上層可以通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取相應(yīng)的電池信息。電池組SOC估算模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的信息,并供上層管理系統(tǒng)隨時(shí)查閱。

        2 鋰電池保護(hù)及均衡設(shè)計(jì)

        完善的BMS必須能夠準(zhǔn)備識(shí)別故障,將誤判的概率降到最低,同時(shí)還要求它能夠迅速的處理這些故障情況。本文BMS的保護(hù)功能包括電池的過(guò)壓/欠壓保護(hù)、電池組的過(guò)流和短路保護(hù)、以及電池的過(guò)溫保護(hù)。保護(hù)功能的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是最重要的兩大關(guān)鍵點(diǎn)。

        BMS的均衡主要是針對(duì)單體電池離散性大的問(wèn)題,當(dāng)鋰離子電池組在充放電的時(shí)候,因?yàn)槠鋯误w電池之間的離散性大,必然容易導(dǎo)致電池組中有的電池充電快,有的充電慢,也就是說(shuō),當(dāng)有的電池充電還沒(méi)充滿(mǎn)的時(shí)候,有的電池已經(jīng)要過(guò)充了,若不采取合適的措施來(lái)保證充電的一致性,將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,同樣在放電時(shí),如果沒(méi)有均衡措施,當(dāng)電池組中大部分電池仍然還一定的電量的時(shí)候,個(gè)別電池可能已經(jīng)欠壓了,這將嚴(yán)重?fù)p害電池的使用壽命。

        電池管理系統(tǒng)從架構(gòu)來(lái)說(shuō)可以分為集中式和分布式管理兩種類(lèi)型,集中式的管理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)集成度高,系統(tǒng)內(nèi)部通信簡(jiǎn)單,便于集中管理,但對(duì)于中央控制系統(tǒng)的要求高。德州儀器公司的BQ77910可完成鋰離子電池管理系統(tǒng)的保護(hù)和均衡功能的處理。本文經(jīng)過(guò)分析研究后擬采用集中式管理架構(gòu)并選擇BQ77910為平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組保護(hù)和均衡的集成解決方案。該鋰電子電池管理方案不僅具備集中式電池管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)通過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)大大地降低了系統(tǒng)對(duì)中央處理器的資源要求,還通過(guò)可編程的保護(hù)功能,以及可配置的硬件設(shè)計(jì)大大增加了靈活性和可伸縮性。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:支持4到10節(jié)鋰離子電池串聯(lián);獨(dú)立電池電壓監(jiān)控,對(duì)于電池組的過(guò)流和短路,電池的過(guò)壓/欠壓等故障的檢測(cè)具有寬泛的可編程檢測(cè)閾值與延遲時(shí)間;硬件直接檢測(cè)和控制電池的充放電?;贐Q77910內(nèi)部50mA電池電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電池均衡。系統(tǒng)使用一個(gè)獨(dú)立的比較器來(lái)檢查電池是否達(dá)到均衡的閾值以確定是否啟動(dòng)均衡,然后找出超過(guò)閾值電壓最高的電池進(jìn)行放電,同一時(shí)刻只有一個(gè)電池在在放電。本系統(tǒng)電池均衡和保護(hù)電路如圖2所示:

        3 鋰電池SOC估算設(shè)計(jì)

        鋰電池的壽命與使用方式有很大的關(guān)系,不恰當(dāng)?shù)氖褂梅绞綍?huì)加速電池容量的衰減,同時(shí)對(duì)于電動(dòng)自行車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō),實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示電量信息非常有必要,所以,對(duì)SOC(State of Charge剩余電量)的準(zhǔn)確估算就顯得尤為重要。本文選擇TI公司的BQ34Z100來(lái)進(jìn)行電池組的SOC估算。本文通過(guò)測(cè)量電池的電壓,電流和溫度信息并用阻抗跟蹤算法來(lái)確定電池組的SOC。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文分析研究了電動(dòng)自行車(chē)的鋰離子電池管理的安全性、耐用性和SOC估算等問(wèn)題,采用TI電池管理IC對(duì)電動(dòng)車(chē)電池保護(hù)和均衡和SOC估算模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明本方案提高了鋰電池的使用安全性,延長(zhǎng)了鋰電池的使用壽命,且具有很好的功耗和成本優(yōu)勢(shì)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005.

        [2]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.

        [3]張朋.基于智能芯片的電動(dòng)自行車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué),2013.

        作者簡(jiǎn)介:劉毅(1991,3-),男,湖南衡陽(yáng)市,學(xué)歷:本科,研究方向:無(wú)線(xiàn)通信。

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