電動自行車新型鋰電池管理系統(tǒng)的設計

劉毅等

摘 要：近年來，我國的霧霾天氣越發(fā)嚴重，而霧霾的罪魁禍首之一就是汽車燃油尾氣，研究和發(fā)展太陽能、風能等新型清潔能源成為汽車工業(yè)的必然趨勢。電動自行車電池的安全性、耐用性一直是制約電動車發(fā)展的一個關鍵因素，而電池的關鍵在于其。本文從電動自行車鋰電池管理的均衡、保護及SOC估算等方面進行研究，并通過軟硬件設計實現(xiàn)了一個簡化的新型鋰電池管理系統(tǒng)。

關鍵詞：鋰離子；電池管理系統(tǒng)；電動自行車

引言

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

1 系統(tǒng)簡介

本文設計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模塊兩個部分組成，電動車中央管理系統(tǒng)通過I2C總線與這兩個模塊進行通信，電池組均衡和保護模塊可以獨立完成電池的故障保護和均衡功能，上層可以通過I2C總線讀取相應的電池信息。電池組SOC估算模塊實時監(jiān)控電池組的信息，并供上層管理系統(tǒng)隨時查閱。

2 鋰電池保護及均衡設計

完善的BMS必須能夠準備識別故障，將誤判的概率降到最低，同時還要求它能夠迅速的處理這些故障情況。本文BMS的保護功能包括電池的過壓/欠壓保護、電池組的過流和短路保護、以及電池的過溫保護。保護功能的實時性和準確性是最重要的兩大關鍵點。

BMS的均衡主要是針對單體電池離散性大的問題，當鋰離子電池組在充放電的時候，因為其單體電池之間的離散性大，必然容易導致電池組中有的電池充電快，有的充電慢，也就是說，當有的電池充電還沒充滿的時候，有的電池已經(jīng)要過充了，若不采取合適的措施來保證充電的一致性，將引發(fā)嚴重的安全事故，同樣在放電時，如果沒有均衡措施，當電池組中大部分電池仍然還一定的電量的時候，個別電池可能已經(jīng)欠壓了，這將嚴重損害電池的使用壽命。

電池管理系統(tǒng)從架構來說可以分為集中式和分布式管理兩種類型，集中式的管理系統(tǒng)優(yōu)點是系統(tǒng)集成度高，系統(tǒng)內部通信簡單，便于集中管理，但對于中央控制系統(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)的保護和均衡功能的處理。本文經(jīng)過分析研究后擬采用集中式管理架構并選擇BQ77910為平臺設計實現(xiàn)鋰離子電池組保護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，同時通過優(yōu)化的設計大大地降低了系統(tǒng)對中央處理器的資源要求，還通過可編程的保護功能，以及可配置的硬件設計大大增加了靈活性和可伸縮性。該系統(tǒng)的主要特點是：支持4到10節(jié)鋰離子電池串聯(lián)；獨立電池電壓監(jiān)控，對于電池組的過流和短路，電池的過壓/欠壓等故障的檢測具有寬泛的可編程檢測閾值與延遲時間；硬件直接檢測和控制電池的充放電。基于BQ77910內部50mA電池電路可實現(xiàn)自動電池均衡。系統(tǒng)使用一個獨立的比較器來檢查電池是否達到均衡的閾值以確定是否啟動均衡，然后找出超過閾值電壓最高的電池進行放電，同一時刻只有一個電池在在放電。本系統(tǒng)電池均衡和保護電路如圖2所示：

3 鋰電池SOC估算設計

鋰電池的壽命與使用方式有很大的關系，不恰當?shù)氖褂梅绞綍铀匐姵厝萘康乃p，同時對于電動自行車用戶來說，實時準確地顯示電量信息非常有必要，所以，對SOC（State of Charge剩余電量）的準確估算就顯得尤為重要。本文選擇TI公司的BQ34Z100來進行電池組的SOC估算。本文通過測量電池的電壓，電流和溫度信息并用阻抗跟蹤算法來確定電池組的SOC。

4 結束語

本文分析研究了電動自行車的鋰離子電池管理的安全性、耐用性和SOC估算等問題，采用TI電池管理IC對電動車電池保護和均衡和SOC估算模塊進行優(yōu)化設計，實驗表明本方案提高了鋰電池的使用安全性，延長了鋰電池的使用壽命，且具有很好的功耗和成本優(yōu)勢。

參考文獻

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[3]張朋.基于智能芯片的電動自行車電池管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].南京郵電大學，2013.

作者簡介：劉毅（1991，3-），男，湖南衡陽市，學歷：本科，研究方向：無線通信。