劉 凱,張澤宇,蔣 煒
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混合動(dòng)力船舶鋰電池保護(hù)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
劉 凱,張澤宇,蔣 煒
(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064)
本文介紹了一套基于8051微控制器的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)針對(duì)混合動(dòng)力船舶的使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì),可滿足鋰電池充放電過(guò)程的復(fù)雜性的需要,對(duì)鋰電池單體及整組提供過(guò)充過(guò)流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)等智能保護(hù),具有可靠性高、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
鋰電池 8051 保護(hù)板
0 引言
目前隨著新能源船舶的發(fā)展,鋰電池在混合動(dòng)力船舶上適用日益廣泛。鋰電池具有高能量、工作溫度范圍寬、工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)越特性。但鋰電池同樣也存在在惡劣的環(huán)境可能會(huì)發(fā)生起火等不穩(wěn)定性問題,本文針對(duì)混合動(dòng)力船舶鋰電池使用的情況,對(duì)鋰電池單體及整組電池提供過(guò)充過(guò)流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)、充電機(jī)反接保護(hù)、電池均衡等,采用了智能保護(hù)、電壓均衡控制等智能化技術(shù),是功能強(qiáng)大、技術(shù)指標(biāo)完善的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)。
1 鋰電池保護(hù)板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文中采用的鋰電池組為32串單體20 Ah磷酸鐵鋰電池成串,構(gòu)成96 V,20 Ah電池組。
該電池組正常使用過(guò)程中,額定放電電流為80 A,瞬時(shí)放電電流200 A(5 ms),額定充電電流10 A,過(guò)流能力100 A(持續(xù)90 s)。
如圖1所示。電池組的充放電分別由主回路模塊中的充放電開關(guān)管K1、K2控制。當(dāng)主控制模塊檢測(cè)到電池組出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫、短路等故障時(shí),控制電路將斷開充放電開關(guān)管,切斷電池連接主回路,起到保護(hù)電池和用電設(shè)備的作用。報(bào)警信號(hào)模塊安裝在電池外殼上,可以顯示當(dāng)前電量和電池系統(tǒng)狀態(tài)。
系統(tǒng)具有以下功能:1)保護(hù)功能;2)通信功能;3)電池組電壓、充放電電流采集,電池組溫度采集;4)加熱板控制功能;5)觸點(diǎn)控制功能。
2 鋰電池保護(hù)板的硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)控制系統(tǒng)框圖按照功能可分為以下三個(gè)模塊:主回路模塊、主控制模塊、報(bào)警信號(hào)模塊。
2.1主回路模塊
充放電主回路模塊由功率MOSFET管、驅(qū)動(dòng)回路、采樣電阻組成。充放電開關(guān)管由8個(gè)功率MOSFET(IRFP260)并聯(lián)構(gòu)成,IRFP260具有體積小、導(dǎo)通電阻?。?.06Ω)和漏源擊穿電壓高(200 V)的優(yōu)點(diǎn),適用于本文中的使用環(huán)境。
正常情況下,充放電開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài),電池組的具體工作狀態(tài)由主控制模塊控制,可以工作在放電狀態(tài),也可以工作在充電狀態(tài)。板載有高精度、高可靠性錳銅采樣電阻可采集電池組主回路電流,當(dāng)保護(hù)回路檢測(cè)到過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流等異?,F(xiàn)場(chǎng)時(shí),開關(guān)管關(guān)斷充電或放電回路,實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。如圖2所示。
2.2主控制模塊
主控制模塊基于8051單片機(jī)開發(fā)。MCU為電池管理系統(tǒng)的核心,通過(guò)通訊總線讀取電壓采集與保護(hù)電路、電流采集與保護(hù)電路和溫度采集保護(hù)電路采集到的電池參數(shù),利用內(nèi)建的電池模型對(duì)電池組及每個(gè)單體電池的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,在此基礎(chǔ)上依據(jù)相應(yīng)控制、保護(hù)策略對(duì)外圍設(shè)備(如加熱器)給出控制指令,或者給出狀態(tài)顯示和報(bào)警信號(hào)(上位機(jī))。如圖3所示。
主控制模塊的開關(guān)電源模塊采用朝陽(yáng)電源公司的M系列電源模塊,該軍用級(jí)電源模塊具有高精度、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)。
電壓采集及保護(hù)電路主要完成對(duì)電池組內(nèi)單體電池端電壓和總電壓的檢測(cè),并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池組出現(xiàn)單體過(guò)壓、電池組過(guò)壓等故障時(shí),控制電路將輸出保護(hù)信號(hào)給開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路,斷開充放電開關(guān)管。
電壓采集及保護(hù)電路具有均衡功能。電壓采集及保護(hù)電路接收MCU的指令,對(duì)需要電壓均衡的單體電池進(jìn)行電阻均衡。該電路主要功能模塊包括LINEAR公司的專業(yè)電池管理芯片LTC6803I,該芯片通過(guò)支持多節(jié)電池組電壓測(cè)量以及電壓均衡。
電流采集及保護(hù)電路主要完成對(duì)電池組充放電電流的檢測(cè),并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池組出現(xiàn)短路、過(guò)流等故障時(shí),控制電路將輸出保護(hù)信號(hào)給開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路,斷開充放電開關(guān)管。電流采集通過(guò)主回路模塊高精度、高可靠性錳銅采樣電阻實(shí)現(xiàn)。
溫度采集及保護(hù)電路主要完成對(duì)電池組溫度的檢測(cè),并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池組出現(xiàn)過(guò)溫、低溫等故障時(shí),控制電路將輸出保護(hù)信號(hào)給開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路,斷開充放電開關(guān)管。
溫度采集及保護(hù)電路含6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),該溫度測(cè)點(diǎn)采用數(shù)字式溫度計(jì)ds18b20,其具有最高 12 位分辨率,精度可達(dá)±0.5 ℃,檢測(cè)溫度范圍為-55°C ~+125°C。另外提供2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(PT100)由上位機(jī)采集。
2.3 報(bào)警信號(hào)模塊
報(bào)警信號(hào)模塊由4個(gè)LED雙色指示燈(紅綠)構(gòu)成。通過(guò)主控制模塊控制,顯示電池組和保護(hù)板的狀態(tài)。
在系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí),指示燈為綠色,顯示電池組電量。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),指示燈為紅色,分別對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)故障、充電故障、放電故障和備用。
3 鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的控制策略
3.1 工作模式
鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)根據(jù)電池狀態(tài)工作在靜置模式、充電模式和放電模式。鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)由外部供電(DC24 V/20 W),并且系統(tǒng)啟/停機(jī)由外部端子控制。具體工作步驟如下:1)外部供電開關(guān)合閘,保護(hù)板系統(tǒng)輔助加熱電路工作。2)外部系統(tǒng)啟/停開關(guān)合閘,保護(hù)板系統(tǒng)啟動(dòng),系統(tǒng)開始運(yùn)行,輔助加熱電路停止工作。3)保護(hù)板系統(tǒng)正常運(yùn)行,對(duì)電池組進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。4)外部系統(tǒng)啟/停開關(guān)分閘,保護(hù)板系統(tǒng)停機(jī),系統(tǒng)停止工作。5)外部供電開關(guān)分閘。
3.2 保護(hù)措施
鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)具有單體電壓過(guò)充、總電壓過(guò)充、過(guò)流、高溫、低溫、短路等,保護(hù)措施如下(保護(hù)閾值可修改):1)單體電壓或總電壓過(guò)充,當(dāng)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)關(guān)斷充電MOSFET并停止充電;2)充電過(guò)流,當(dāng)超過(guò)保護(hù)閾值15 A設(shè)定值90 s時(shí),關(guān)斷充電MOSFET并停止充電;3)放電過(guò)流,當(dāng)超過(guò)保護(hù)閾值105 A設(shè)定值90 s時(shí),關(guān)斷放電MOSFET并停止放電;4)電池組溫度異常,當(dāng)電池組溫度大于75℃和小于-20℃時(shí),關(guān)斷充放電MOSFET、電池組停止工作;5)電池組短路,當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)大電流(200 A)時(shí)立刻關(guān)斷充放電MOSFET、電池組停止工作。
3 鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
本文中鋰電池保護(hù)板主要針對(duì)32串,總電壓96 V,容量20 Ah鋰電池組提供過(guò)充過(guò)流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)、充電機(jī)反接保護(hù)等,以下為本系統(tǒng)的實(shí)際聯(lián)調(diào)圖。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)32串鋰電池組的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng),采用了智能保護(hù)、電壓均衡控制等智能化技術(shù),能夠滿足工業(yè)的需要,具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點(diǎn)。
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Design and Implementation of Li-ion Batteries Protection Board to Hybrid Power Ship
Liu Kai,Zhang Zeyu,Jiang Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China)
TP274
A
1003-4862(2016)05-0038-03
2015-12-16
劉凱(1980-),男,高級(jí)工程師。研究方向:船舶系統(tǒng)集成。