磷酸鐵鋰電池組三級(jí)管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

劉學(xué)鵬， 郝曉紅， 張東升

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東中山528404；2.華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州510641；3.成都電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川成都611731；4.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049)

磷酸鐵鋰電池組三級(jí)管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

劉學(xué)鵬1,2， 郝曉紅3， 張東升4

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東中山528404；2.華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州510641；3.成都電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川成都611731；4.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049)

以驅(qū)動(dòng)汽車的磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，對(duì)磷酸鐵鋰電池組的模擬數(shù)據(jù)偵測處理、三段式硬件平衡電路、多芯電池組的SOC凸優(yōu)化算法、動(dòng)態(tài)平衡，故障診斷、系統(tǒng)間通信進(jìn)行討論，每段電路采用菊花鏈通信，級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行電池管理拓展。通過底層采集數(shù)據(jù)，中間層處理數(shù)據(jù)，用戶層負(fù)責(zé)顯示狀態(tài)故障等，建立三級(jí)管理系統(tǒng)。

三級(jí)管理系統(tǒng)；三段式硬件平衡電路；SOC；磷酸鐵鋰電池；凸優(yōu)化

我國大城市的大氣污染已不能忽視，燃油汽車排放是主要污染源之一。電動(dòng)汽車廢氣排出比燃油汽車減少92%～98%。電力可以從多種一次能源中獲得。電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。電動(dòng)汽車將會(huì)慢慢成為汽車發(fā)展的一種趨勢和必然。

作為可充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全(不會(huì)因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染[1-3]。

LiCoO2電池充電容差值只有0.1 V，而LiFePO4的充電容差值達(dá)到0.7 V，LiFePO4過充發(fā)熱值為90 J/g，LiCoO2過充發(fā)熱值為1 600 J/g，LiFePO4無電路板保護(hù)的最大值達(dá)到30 V，LiFePO4電池與鉛酸電池一致，但同時(shí)沒有鉛酸電池的污染性。

采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池特別在大放電率放電(5～10放電)、放電電壓平穩(wěn)上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環(huán)次數(shù))、對(duì)環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池。

鋰離子電池組在應(yīng)用過程中往往需要串并聯(lián)連接，多個(gè)單體電池組成的電池組如果沒有管理系統(tǒng)的精確控制，則存在著安全性和性能快速下降的風(fēng)險(xiǎn)。本文從實(shí)現(xiàn)平衡控制、故障診斷、電池組自動(dòng)級(jí)聯(lián)、磷酸鐵鋰電池組SOC模型以及與之相匹配的參數(shù)識(shí)別算法、硬件拓?fù)潆娐分郑⑷?jí)管理系統(tǒng)平臺(tái)，為電池的管理提供一整套方案和產(chǎn)品。

1 三級(jí)管理系統(tǒng)

本文以驅(qū)動(dòng)汽車的磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，開展針對(duì)磷酸鐵鋰電池組的模擬數(shù)據(jù)偵測處理、硬件拓?fù)潆娐泛投嘈倦姵亟M的參數(shù)識(shí)別、動(dòng)態(tài)平衡，故障診斷、系統(tǒng)間通信和系統(tǒng)應(yīng)用軟件平臺(tái)的研究，建立三級(jí)管理系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池組三級(jí)管理系統(tǒng)方法，包括三級(jí)管理系統(tǒng)模塊、電池組三段硬件拓?fù)淠K(首段電路，中間段電路和尾端電路模塊)、數(shù)字信號(hào)處理模塊、SOC技術(shù)模塊、平衡電流判定模塊、模擬層數(shù)據(jù)采集模塊。

三級(jí)管理系統(tǒng)模塊如圖1，包括：底層的管理是直接面向電池組，各種參數(shù)的精度決定著上層控制的效果，精度控制、硬件管理、電池組識(shí)別、通訊方式是這一層的主要內(nèi)容；在中間層中，主要的作用是向上下級(jí)傳遞信息、數(shù)字信號(hào)處理、底層模擬數(shù)據(jù)在本層中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行必要的補(bǔ)充算法，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，中間層處理任務(wù)較多，包括SOC算法、平衡算法、電池狀態(tài)管理；在最上層的用戶層中，狀態(tài)和故障顯示是其主要功能，具體包括每個(gè)電池組下單芯體電壓、溫度、故障狀態(tài)等實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)與汽車行車電腦進(jìn)行連接。

圖1 三級(jí)管理系統(tǒng)模塊

2 電池組三段硬件拓?fù)淠K

首段電路模塊負(fù)責(zé)6-12電池管理，主要處理6-12電池，首段電路與中間段之間采用菊花鏈的通訊。圖2是具體電路，其中B0-12為電池組接入端，VC為電池電壓測試點(diǎn)，CB0-12電池充放電均衡點(diǎn)，Q1-12為MOS管充放電開關(guān)，當(dāng)檢測到某個(gè)電池組充放電結(jié)束時(shí)，MOS管自動(dòng)開關(guān)從而過渡到相鄰的電池組。

圖2 首段電路

中間電路模塊主要的作用是向上下段傳遞信息，通信規(guī)格采用菊花鏈。DAIZY UP組負(fù)責(zé)與尾端電路模塊通信，傳遞溫度和控制信號(hào)；DAIZY DN組負(fù)責(zé)與首段電路進(jìn)行電路通信，傳遞各種檢測參數(shù)。COM組主要負(fù)責(zé)通信波特率和通道選擇。EXTIN1-4組負(fù)責(zé)采集各種溫度值，中間模塊可以添加任意個(gè)，構(gòu)成級(jí)聯(lián)模式。

尾端電路模塊主要負(fù)責(zé)下位機(jī)與微機(jī)的信號(hào)傳遞，具體信號(hào)包括每個(gè)電池組下單芯體電壓、溫度、故障狀態(tài)等，其中通信規(guī)格采用菊花鏈。DAIZY UP組負(fù)責(zé)與尾端電路模塊通信。SCLK、C S 、DIN、DOUT、EN、D ATREADY、 F AULT端口組成微機(jī)接口組，COM組主要負(fù)責(zé)通信波特率和通道選擇，EXTIN1-4組負(fù)責(zé)采集各種溫度值。

3 SOC模塊與平衡技術(shù)

電池管理中一個(gè)重要內(nèi)容是對(duì)電池組及單體電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，精確測量電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)。由于電池組工作方式的特殊性，電池組荷電狀態(tài)SOC的測定很困難。本文采用圖3所示的模塊進(jìn)行分析：首先從實(shí)驗(yàn)中提取數(shù)據(jù)，充放電設(shè)備驗(yàn)證電池的一致性，采用WDCF-3800蓄電池充放電綜合測試儀進(jìn)行測試，不同電壓、電流和溫度下SOC值不同，充放電周期也對(duì)SOC產(chǎn)生影響，平衡處理發(fā)生在充電80%處，充電平衡時(shí)間發(fā)生在80%×2.5=2 h處，容量為10 Ah，每個(gè)周期的平衡糾錯(cuò)處理為0.05 Ah，平衡電流為25 mA。經(jīng)過幾個(gè)周期后兩個(gè)電池達(dá)到平衡。

圖3 SOC模塊與平衡技術(shù)流程圖

內(nèi)阻法、積分法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到實(shí)測SOC曲線，理論方程采用非線性模型進(jìn)行迭代輸出SOC，最后進(jìn)行修正。

式中：f[SOC(k)]為電池SOC的函數(shù)；d(k)、t(k)為充放電系數(shù)、溫度系數(shù)。± V為充放電的參數(shù)，加號(hào)為充電情況，減號(hào)為放電情況。采用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)凸優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。算法輸入量為SOC，I；輸出量為v、d、R、。

凸優(yōu)化算法：含有一個(gè)隱層的前饋網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式可以表示如下:

懲罰項(xiàng)為：

三層前饋網(wǎng)絡(luò)的隱層輸出公式：

式中：μ為學(xué)習(xí)率；γ()為隱層輸出。平衡硬件電路利用上面的三段式結(jié)構(gòu)，參考SOC、溫度、電流、電阻等參數(shù)，完成電池組的三級(jí)均衡系統(tǒng)技術(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)

不同溫度下的電池電壓值如圖4所示，充放電的電壓差值基本穩(wěn)定在30 mV。圖5表明電池單體的差異在20 mV左右，很好地解決了電池均衡性問題。

圖4 不同溫度下電壓值

圖5 相比第3節(jié)的其他電池電壓

5 結(jié)論

開展針對(duì)磷酸鐵鋰電池組的模擬數(shù)據(jù)偵測處理、硬件拓?fù)潆娐贰⒍嘈倦姵亟M的參數(shù)識(shí)別、動(dòng)態(tài)平衡、故障診斷、系統(tǒng)間通信、系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的研究，建立三級(jí)管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在SOC算法、平衡算法、電池狀態(tài)管理方面具有很好的性能，與汽車行車電腦進(jìn)行連接可以構(gòu)成智能控制系統(tǒng)。

[1]田美娥.輕型汽車技術(shù)[J].電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢，2010(11):255-256.

[2]王軍平，陳全世，曹秉剛，等.電動(dòng)車用鎳氫電池模塊的充放電模型研究[J].西安：西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(1):50-52.

[3]吳鐵洲.HEV鋰離子電池組管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2010:8.

Research on LiFePO4battery 3-class management system for electric vehicle

The 3-class of LiFePO4battery for electric vehicle was studied.The simulated data was detected and processed.The 3-section hardware circuit was proposed to balance charging and discharging.The daisy chain was utilized to each communication and cascade connection was used to extend the battery group. The SOC was estimated and corrected by convex optimization.The data was collected from the lower class,processed by the middle class,and monitors condition was displayed through Interface class,then 3-class management system was built.

3-class management system;the 3-section hardware circuit;SOC;LiFePO4;convex optimization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2108-02

2015-03-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075321；61106107)

劉學(xué)鵬(1975—)，男，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。