1.2.2電流采樣電路

電流采樣時(shí)，電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過(guò)流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時(shí)，用康銅絲對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?～5V的電壓信號(hào)送至單片機(jī)。如果放電的電流過(guò)大，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓信號(hào)比較大，就會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對(duì)于36V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設(shè)定其保護(hù)電流是60A。康銅絲的電阻是5mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60A時(shí)，康銅絲的電壓達(dá)300mV左右。為提高精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測(cè)。

1.2.3溫度檢測(cè)

電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)，這部分熱量不及時(shí)排除會(huì)引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì)變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì)被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對(duì)電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示：

1.3均衡模塊

電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較多的I/O口驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，而單片機(jī)的I/O口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開關(guān)。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為42V，副線圈電壓為電池的額定電壓4.2V。剛開始Q4導(dǎo)通，Q2、Q3、Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當(dāng)檢測(cè)到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓4.2V以后，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉Q4，打開Q2、Q3、Q5，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差值不會(huì)超過(guò)50mV。

2SOC電量檢測(cè)

在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC計(jì)算方法有開路電壓法、庫(kù)倫計(jì)算法、阻抗測(cè)量法、綜合查表法[3]。

(1)開路電壓法是最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，主要根據(jù)電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)庫(kù)侖計(jì)算法是通過(guò)測(cè)量電池的充電和放電電流，將電流值與時(shí)間值的乘積進(jìn)行積分后計(jì)算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)估計(jì)SOC的值。

(3)阻抗測(cè)量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)出電池的電壓、電流參數(shù)計(jì)算出電池的內(nèi)阻，從而得到SOC的估計(jì)值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過(guò)設(shè)置一個(gè)相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。

在本設(shè)計(jì)中，從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法，采用庫(kù)倫計(jì)算法比較合適。

(1)用C表示鋰電池組從42V降到32V時(shí)放出的總的電量。

(2)用η表示電流i經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，放出的電量與C的比值。

其中CRM為剩余電量。令ΔCi=i×Δt，表示?駐t時(shí)間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實(shí)際上是對(duì)ΔCi的計(jì)算以及累加。設(shè)定合適的采樣時(shí)間Δt，測(cè)定當(dāng)前的電流值，然后計(jì)算乘積，得到Δt時(shí)間內(nèi)剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實(shí)現(xiàn)SOC電量的檢測(cè)。

3試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)錳酸鋰電池組進(jìn)行充放電測(cè)試。圖4(a)為鋰電池組放電測(cè)試圖，放電電流為8A，當(dāng)電池組電壓降至32V時(shí)，放電MOS管關(guān)斷。圖4(b)為充電的測(cè)試圖。充電結(jié)束4小時(shí)后，均衡完成。

本文的電池管理系統(tǒng)以M68HC08GZ16為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組單體電壓、電流、溫度信號(hào)的采集。充電電量平衡以后，單體電池的電壓差值不超過(guò)50mV。整體系統(tǒng)運(yùn)行性能良好，能夠滿足電動(dòng)車動(dòng)力電池組應(yīng)用需要。