动力锂电池组智能管理系统设计

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间歇式充电法是在预充和保持阶段通过间歇地打开和关闭充电回路，等效地改变充电电流的大小，进而实现在预充和保持状态时需要小电流、在正常充电时需要大电流的的性能要求。

在对带有管理系统的电池组进行充电时，需要外接与之匹配的恒压电源充电器，对其恒压值U的要求为：U=4.2V×N+损耗电压，其中N为电池节数。

限流值为该动力锂电池的常规充电电流0.3C(C为电池容量)，在进行充电前必须先进行系统的初始化，然后按照间歇式充电法对电池组自动充电。

电压采样模块原理与实现

锂离子电池在充电时要求其端电压控制在4.2V以下，为防止过充损坏电池，要求必须在充电时实时检测各单节锂电池电压。管理系统采用图4所示的电压采样检测方案。其工作原理是：首先把单刀双掷开关K1、K2向上打到电压测量档，并通过MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地将电容分别接到各单节电池两端，使电容充电至电容电压等于被测单节电池的电压；然后断开MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2，同时合上开关K3和K4接入A/D转换器进行测量。该方案可直接使用微处理器内的10位A/D转换器，不需要另外加入A/D芯片，节省了设计成本。实际电路中的模拟开关采用继电器实现。

均衡模块原理与设计

动力电池组是由多个单节电池串联组成的电池模块，由于电池个体之间内部特性的差异，若干次充、放电后，电池组会失衡，严重影响动力电池组的效率与安全。另外，电池组在充放电过程中的过充电、过放电、电流过大、温度过高等现象会加剧电池间特性的差异，从而引起单节锂电池之间容量、电压等性能的不平衡，最终导致电池组整体特性的急剧衰退和部分电池的加速损坏。因此在锂电池组合使用时必须要解决各个单节电池在电池组中的平衡问题。

电池组中各节电池电量的均衡可采用电阻均衡、电容均衡、变压器均衡等多种方案。由于本管理系统是针对大容量的动力锂电池组，若采用电阻均衡，均衡速度快但将会有过多的能量白白浪费掉；电容均衡虽然不额外耗能，但是均衡电流一般较小，很难胜任动力锂电池之间的均衡。故本均衡模块采用兼顾效率和速度的变压器均衡方案。在具体设计中直接采用DC/DC开关电源模块。由于开关电源模块具有功耗小、效率高、体积小、质量轻等优点，将其直接作为均衡模块使用是一个很好的选择。在具体使用时，根据检测到的各单节电池的电压值判断是否需要对电池组进行能量均衡。若需要，闭合均衡总开关K5，开关K1、K2向下打到均衡档，用电池组的整体能量对电压最低节电池进行额外的均衡充电，直到各节电池电压值的差别在系统要求范围之内。原理图如图4所示。

图4 电压采样、均衡充电原理图

电流采样的实现

电流是电池容量估计的关键参数，因此对电流采样的精度、抗干扰能力和线性度误差的要求都很高。在本设计中采用LEM公司的闭环电流传感器LTSR25-NP，如图5所示，

图5 LTSR25-NP实物图

该元件具有出色的精度、良好的线性度和最佳的反应时间。其额定电流为25A，最高可测80A的电流，满足系统设计的要求。该电流传感器可把充放电电流转换为0V~5V的电压信号，送至单片机的10位A/D转换器进行转换后可测得充放电电流，测量精度为0.2A。其工作特性曲线如图6所示。

图6 电流传感器LTSR25-NP 工作特性曲线

图中以VREF为参考点电压，默认为2.5V，IP为被测量电流。

温度采样的实现

电池管理系统中的温度检测采用的是美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20。它是单片结构，无需外加A/D转换器即可输出9~12位的数字量。通信采用单总线协议，对DS18B20的各种操作通过一条数据线即可完成。因为每个DS18B20都含有唯一的序列码，使每条总线上可同时连接多个DS18B20，这就使得DS18B20连线简单，系统设计灵活，适合用于多点测温系统，特别是与单片机合用构成的温度检测与控制系统。