锂离子电池管理系统的设计与实现

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1、锂离子电池管理系统的设计与实现摘要：面对世界能源匮乏、空气污染日益严重的情况，人们对于环保越来越 重视，低碳发展是我国乃至全世界未来产业和技术发展的必然趋势。当前我国和 各个企业都将新能源产业作为发展的重点，与其他二次电池相比，锂电池具有其 独一无二的优点，不仅节能环保，而且具有高能量密度和高功率密度，可以随时 进行快速充电放电。但是将锂离子电池串联起来，在过热过压的环境下会产生使 用周期变短、自燃或是爆炸等安全问题。因此设计锂离子电池组管理系统是至关 重要的，本文结合锂电池的主要性能参数，从硬件和软件两个方面设计锂离子电 池管理系统。关键词：锂电子电池；管理系统；设计；硬件软件一、锂电池的主

2、要性能参数（一）电池容量锂电池的容量可以分为两类，一类是额定容量，一类是标称容量。基于标准 条件（20摄氏度，101.325千帕），按照要求的充电方式充电后，保持30到60 分钟，再放电达到规定的最终电压，释放的最低容量值就睡额定容量。基于标准 条件，测量的大概容量值，通常要么等于要么大于额定容量值。电池容量必须具 备充放电电流、电池温度和放电终止这三个基本的条件1。1.充放电截止电压在充电时，锂电池能够达到的最高电压就是充电终止电压，同样而言，锂电 池在放电的时候能够达到的最低电压就是放电终止电压。锂电池不能出现过度充 电或者是过度放电的现象，如果充电和放电的电压超过终止范围，就会破坏锂电

3、池的内部分子结构，降低电池的使用周期。1.充放电倍率充放电速率用于表示电池的高电流性能，用字母C表示。例如，电池容量为 R安培时，充电电流为X安培，充电速率是x/R（C）。最大充放电倍率是指在充 电和放电期间，锂电池能够达到的最大电流。1.循环使用寿命循环使用寿命的意思是指，在指定条件下对电池进行循环的充电放电，一直 到电池容量下降到指定值的循环次数。根据国家标准的定义，循环寿命的充放电 条件是1C充放电，放电深度达到80%。电池的实际循环寿命会在一定程度上受到 温度、放电深度和充放电倍率的影响31.自放电率当锂电池不工作时，随着时间的流失，电池电量的损耗速度通常都标示为电 量损耗率/每月。自

4、放电率会受到电池本身材料、制造过程、负电状态以及工作 环境的直接影响。1.电池荷电状态电池电量状态，是指剩余电池电量的可用状态。具体是指，电池在规定的测 试条件下以特定的放电速率放电，直至放电终止的时刻与其标称充电容量之间的 比值。1.电池组管理系统硬件设计（一）主控制器主控制器的选择是至关重要的，它会直接影响到系统功能的实现以及系统的 可靠性这些关键问题。选择主控制器时要遵循相关原则，主控制器芯片上的外围 资源要比系统本身的要求多，而且要尽可能少使用外围IC器件，利用微处理器 芯片上的资源达成系统的要求。同时也要结合控制器的运行速度、片上外设资源、 工作温度范围和程序存储器大小等。主要的微控

5、制器包括传统的8051单片机， ARM系列微处理器，DSP等；传统的805l单片机具有相对简单的功能，相对较小 的片上外围资源以及低廉的价格。它们主要用于嵌入式控制系统。功能简单； ARM微型系列控制器具有相对更多的片上资源，可以与嵌入式操作系统的开发和 使用相结合。开发周期长，设备成本高。通常适用于移动终端，数据传输等领域; DSP在数字信号处理，复杂的函数计算等方面具有优势。显而易见的优势是，具 有强大的数字信号处理能力，但其软件开发周期长且灵活性低，因此不常用。主 要是应用于通信，语音和图像处理等领域。（二）电源电路机上28V电源通过DC/DC转换器提供两个5V电源，12V电源，2.5V

6、参考 电源和4.5V参考电源。一个5V电源为主控制器、EEPROM和其他设备供电；一个 5V电源单独为串行通信电路供电隔离通信电源，减少干扰；12V为加热控制电路 和集成运放芯片提供电力支持；4.5V基准电源提供基准电压给主控制器中的A/ D转换模块；2.5基准电源提供2.5V基准电压给充放电电流检测环节。电源电路 结构如图1所示。图1电源电路结构+5V输出功率选择ZHDC28S05H/5W电源转换器，电源输出稳定，具有良好的 线性稳压输出，输出电压为+5V，输出电流为1A，电压差为0.5V，最大输入电压 支持的28V231： +12V电源输出，选择ZHDC5D12/2W电源转换器，+12V输

7、出电压， 工作温度范围-40C到125 9C，它包含多路保护子模块，例如限流，电源反 向和反向访问保护等。选择zHDC28S05H/5w，ZHDC5D12/2W为主控制器，通信模 块，外部存储器模块和内置运算放大器模块供电，这是稳定可靠的。1.电流米集电路电池组电流是判断电池处于充电/放电状态的基础，也是判断电池剩余容量 的重要参数。因此，充电/放电电流收集的精准度、抗扰性和温度漂移的要求都 很严格。电流收集方法包括电阻方法和霍尔传感器方法。霍尔传感器方法使用霍 尔传感器根据磁场的变化来测量电流。电阻法使用测量电阻器两端之间的压力差 来测量电流。由于霍尔传感器方法对电磁环境特别敏感，因此其抗干

8、扰能力比电 阻方法弱，并且温度漂移大。（四）电压采集电路电压是电池组的重要参数。温度，电池老化和湿度等因素会对电池电压产生 一定影响。电池电压不仅是评估电池剩余电量的重要参数，还是确定系统是否需 要对电池进行充电，平衡和其他操作的重要依据。由于电池电压始终存在差异， 因此需要对每个电池电压和总电池电压进行独立测量。电池电压测量误差不超过 50mV，总电压测量误差不超过100mV。确定电池电压包括两种方法：共模电压测 量和差分电压测量。共模电压测量方法使用相同的电位参考点来收集和减去每个 点的电位，以获得每个单独电池的电压；而差分电压测量方法则直接测量单个电 池端子上的电压。在测量精度方面，差分

9、测量方法优于共模测量，因此使用差分 方法测量电池电压。（五）均衡控制电路系统选择一个耗电的电阻均衡电路来平衡电池。能量消耗电阻均衡的原理： 在切换均衡矩阵时，将能量消耗电阻并联连接到每个电池单元，并通过该电阻消 耗具有高电池电压的单个电池单元的能量，从而降低了单体电池电压；同时，使 用对齐矩阵以较低的电池电压为单个电池充电，以将电池组的电池电压控制在一 定的误差范围内。该方法硬件电路不复杂，均衡器速度快，效果明显。电池组管理系统软件设计（一）充电过程控制当电池满足充电开始条件时，控制系统通过通信发送控制命令，并且 BCCU 根据请求打开或关闭相应的充电组件，并通过通信返回组件的工作状态。电池组

10、 开始充电过程，并以12A的大电流充电。当任何单个电池的电压N4.15V时，以 高电流停止充电，保持30秒钟，然后以低电流开始充电。当单个电池的电压 M4.15V时，在低电流下停止充电，电池组的充电结束。充满电后，如果任何单 节电池电压为3.95V或总电压27.65V，就要重新开始充电。（二）均衡过程控制系统识别评估均衡条件的结果，如果满足均衡要求，则系统通过RS.485总 线向BCCU发送校准请求，接收到该请求后，BCCU根据其条件激活适当的电路， 并发送RS.485总线将平衡状态返回到电池管理系统以供开机，并且电池管理系 统在接收到该状态后确定适当的平衡设置。然后，系统打开比对矩阵以执行均

11、衡。 在均衡过程中，当任何一个电池单元的电压大于4.15V或中心值与要均衡的单元 之间的电压差小于10mH时，均衡将停止，并发送RS.485总线发送信号以停止均 衡充电或关闭均衡放电通道BCCU接收到它后，关闭调平单元，并发送调平单元 关闭。电池组管理系统接收到该状态后，最终确定均衡关闭，转移到下一个需要 均衡的通道。（三）温度控制在正常运行条件下，满足加热启动条件，并从BCCU请求加热功率。BCCU报 告加热电源打开后，加热电路被激活。当电池温度10C时，关闭BCCU的加热 电源，当BCCU报告断开加热电源后，关闭加热电路。加热的启动和停止条件如 下：启动条件：电池温度50C。关机条件（任何

12、情况下发生）：电池温度3- 10C :存在故障，电源故障，加热不能消除故障或电池过热。当两个温度感测电 路同时发生故障时，将保留原始的加热状态。串口通信功能用一个中断程序开发一个串行通讯程序，当一个中断请求出现时，首先要确 定该中断类型是发送中断还是接收中断。如果产生了发送中断请求，则电池管理 系统以协议数据帧的形式发送准备好的数据。如果发生接收中断，则将数据帧的 完整信息临时存储在Rbufbyte数组中进行处理，并且数据的处理包括检查零地 址，检查数据帧的长度，检查校验。如果检查结果表明数据接收不成功，则该数 据帧的数据无效，并等待下一个数据帧的接收。1.数据存储程序通过12C总线访问HRE

13、Fl024PM外部存储器中的数据，数据访问包括读取信 息，写入信息和擦除信息。电池管理系统的主控制器MC9S12XS128为主机，外部 存储器HREFl024PM为从机。他们需要遵循12C总线协议来传输13oJ数据，如下 所示：首先，当12C总线为高电平时，总线处于空闲状态，并且当总线空闲时只 能传输数据。其次，启动信号：SCL （同步线）是高电平，SDA （数据线）是下降 沿。再次，停止信号：SCL （同步线）是高电平，SDA （数据线）是上升沿。最后， 在数据传输期间，稳定的高低电平时间应为3-4.7us，以确保有效的数据传输； 只有当SCL时钟线为低电平时，才可以更改SDA数据线电平的状态。参考文献：1 倪欣.电动汽车锂离子电池管理系统设计D.浙江科技学院,2021.2 胡浪,乔俊叁.车用锂离子动力电池组均衡管理系统发展综述J.时代汽 车，2020（23）:96-97.3 邓华军.锂离子电池的管理系统研究J.电子技术，2020,49（05）:116-117.作者简介：张小进，1988.12.29，抚州，汉，本科，助理工程师，江西江铃 集团新能源汽车有限公司，研究方向：锂离子电池。