动力锂电池组智能管理系统设计

引言

锂电池由于具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及使用寿命长等优点，逐渐成为动力电池的主流。但是由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，因此在应用时需要进行一定的管理。另外锂电池对充放电的要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏锂电池性能，导致电池寿命缩短。当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单节锂电池间内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。一节性能恶化时，整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能，延长使用寿命，必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控，提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。

本文设计的动力锂电池组管理系统安装在锂电池组的内部，以单片机为控制核心，在实现对各节锂电池能量均衡的同时，还可以实现过充、过放、过流、温度保护及短路保护。通过LCD显示电池组的各种状态，并可以通过预留的通信端口读取各节锂电池的历史性能状态。

系统总体方案设计

动力锂电池智能管理系统主要由充电模块、数据采集模块(包括电压、电流、温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如图1所示。

图1 管理系统结构框图

整个系统以单片机为主控制器，通过采集电流信息，判断出电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象，并对其状态做出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后，系统决定是否启动均衡模块对整个电池组进行能量均衡，同时判断是否有过充或过放现象。温度的采集主要用于系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息都会通过液晶显示模块实时显示。下面对其各个模块的实现方法进行介绍。

微控制器 ATmega8

本系统采用的微控制器是美国ATMEL公司推出的一种高性能8位单片机ATmega8。该单片机具备AVR高档单片机系列的全部性能和特点，支持在线编程(ISP)，只需要一条可自制的下载线就可以进行单片机系统的开发。其中ATmega8单片机有6路A/D转换通道，其中有4路为10位精度，在设计中可直接用于电池电压的测量。ATmega8的各项性能使其成为适应性强、灵活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特别适合在开发阶段使用。

充电控制模块原理与实现

锂电池常规充电法是按预充、恒流、恒压三个阶段进行的，时序图如图2所示。

图2 常规充电法时序图

由于管理系统是随电池组一起放在电池箱内，且充电器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充电器形成闭环控制，就会使该管理系统的通用性降低。为实现高通用性，使管理系统和外部的充电器单独工作，本电池管理系统采用间歇式充电法，如图3所示。