唐俊龙;龚磊;禹智文;刘远治;肖世勋
【摘 要】本文针对了新能源锂离子电池在电动车领域内的应用,提出了以STM32F103RCT6芯片和UCOSII操作系统为核心的锂离子电池监控管理系统(BMS)设计方案,基于电源管理芯片bq7694003完成了外围电路设计的电压采集、电流采集、温度采集、防止电池过充/过放的均衡保护、SOC估算等功能的软硬件锂离子电池监控系统,具有良好的LCD和上位机用户界面.测试结果表明监控管理系统数据采集精度高,均衡效果好,可应用于锂离子电池组监控技术领域中.锂离子电池监控管理系统简单易用、性能好、成本低,是串联或者串并混联导致电池组充放电不均衡情况的一种良好的解决方案. 【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】4页(P46-48,113)
【关键词】BMS;SOC;均衡;温度保护
【作 者】唐俊龙;龚磊;禹智文;刘远治;肖世勋
【作者单位】长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114;长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114;长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114;长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114;长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114
【正文语种】中 文
0 引言
目前以石油为主导的传统能源消费结构中存在石油资源的枯竭、城市交通汽车尾气造成的污染和雾霾问题等隐患导致社会正大力开发新能源代替传统能源。作为新能源的锂离子电池具有储存寿命长，无记忆效应，体积小，无公害等很多优点，广泛应用在笔记本电脑、便携式电子设备、电动自行车以及电动汽车等装置中。最常见的锂离子电池主要有三元锂电池、锰酸锂电池和磷酸锂电池等。三元锂电池则是镍酸锂、钴酸锂和锰酸锂三者共熔的产物，他具有放电电流大、充电速度快、能量密度高等诸多优点，越来越多的被各大制造研发厂商进行 开发和使用，对锂离子电池的管理研究与开发也就成了当下的一个热门[1,2]。本文基于UCOSII操作系统、电源管理芯片TI bq7694003、MCU控制器STM32F103RCT6及各种外围辅助电路实现了一套新能源三元锂电池组软硬件智能监控管理系统，通过TFTLCD显示屏、PC机用户界面和语音播报等形式输出监控结果。不需要使用者具有锂离子电池监控管理领域非常专业的理论知识，同时降低了管理成本并提升了用户使用体验。
1 系统设计
1.1 硬件方案设计
本文新能源锂离子电池监控管理系统的硬件结构框图如图1。系统硬件主要包括bq7694003电池管理芯片、电池均衡保护模块、充电模块、放电模块、温度保护模块、主控制器MCUCortex-M3系列芯片STM32F103RCT6以及TFTLCD显示模块等。bq7694003具有采集电池电压与自带的库伦计数器采集电流ADC、支持热敏电阻温度测量等功能单元。STM32F103RCT6具有功耗低、体积小、运算能力强等特点。该方案拥有放电过流保护（OCD）、放电短路保护（SCD）、过压（OV）、欠压（UV）等锂电池组保护功能。利用外围电路对锂离子电池进行充放电数据的采集，通过主控制器MCU进行数据处理，最后传输
至TFTLCD显示屏和上位机进行显示，从而实现对标称3.7V的52节并串混合的三元锂电池组电压、电流、温度等数据的监控。
图1 锂电池监控系统结构框图
1.2 电池组均衡与采样电路设计
电池组均衡电路的实现方式对于系统保护锂电池过充过放有很重要的作用，有电阻型的能量损耗型被动型均衡方式和开关电容法、开关电阻法、变压器法主动均衡方式等均衡方式[3,4]。电池单纯的并联不能够扩大电池组的最大电压容量，而单纯的电池串联在充放电时，由于每节单体电池的不一致性，会使每节锂离子电池的电压不稳定，在前一节电池满充时，后节电池电压出现过低情况，电池充放电循环次数的增加严重破坏电池内部结构，使得电池的不均衡性越来越严重，直接影响电池使用寿命，而且如果串联中的某节电池出现损坏时，则导致整个电池组的崩溃。根据电动车的实际应用采用并串混合方式，4节锂电池并联组成一串，共13串，每串串联连接，锂离子电池连接与数据采样示意图如图2。本文采用了基于被动式均衡的硬件结构，利用受控开关元件通过分流电阻的方式来对单体电池进行均衡，在检测到某节单串电池电压高于4.2v时或者电压差超过0.1v（最大单体电压大于最低单体电压）
时使能最高电压的均衡开关，接通与其并联的电阻，从而进行降压。bq7694003管理芯片分三路ADC进行数据采集，一路ADC基于多路模拟复用开关对13串电池单体电压进行采样，两路ADC分别对库伦计数器和温度传感器进行电流、温度的数据采样。
图2 电池组均衡与采样连接示意图
2 软件设计
2.1 系统监控主程序设计
BMS系统的软件实时性要求比较高，本文基于UCOSII嵌入式操作系统，完成了13串锂电池组的单体和整体的电压、电流和温度的检测和控制与SOC算法程序设计以及用户界面设计。锂离子电池监控系统程序设计流程图如图3。系统初始化后，对其充电过程中的电压和温度进行监控，同时让均衡模块进行工作，防止过充，并通过ADC通道进行温度、电压、电流的采集，利用SOC算法，计算电池组的剩余电量，从而在LCD和上位机的用户界面显示由MCU处理后的相关数据信息，放电过程与充电过程原理相同。
图3 锂离子电池管理系统主程序设计流程图
2.2 温度监控子程序设计
图4 温度监控子程序流程图
锂离子电池工作温度一般为-20到55摄氏度，而过低或者过高的温度均会对其自身结构产生较大的影响，存在安全隐患，也大大的降低其使用寿命[5]。因此BMS需要对其温度具有良好的管控能力，本文BMS中，温度监控主要是保证在其工作温度范围内电池能正常充放电。在温度低于工作范围时启动保护措施，利用电热丝加热提高外围温度。在检测到电池温度高于工作范围时，则利用小型风扇对其进行降温处理。在温度检测中若温度始终没有得到改善，断开锂电池的充放电开关。锂离子电池温度监控子程序流程图如图4。
2.3 充放电均衡管理子程序设计
充放电均衡管理程序在单体电池电压充电达到4.2v（充电截止电压）或电压差超过0.1v时使能最高电压的均衡开关；在单体电池电压放电到2.75v（放电截止电压）或者电压差超过0.1v，使能最低电压电池的均衡开关，进行充放电均衡保护，使充放电时所有电池处于电压平衡的状态。均衡管理程序设计流程图如图5。
图5 充放电均衡管理程序设计
2.4 SOC估算算法与程序设计
锂离子电池的电荷剩余电量SOC（stateofcharge）的估算方法有开路电压法、电流积分法、卡尔曼滤波法等[6-7]。估算SOC的电流积分法可在电池组工作的任何时刻进行测量，但放电时采用不同的电流，电池放出的最大电量不同；温度随着充放电时改变，电池组能够放出的电量会发生变化；随着日常的使用，充放电循环的增加，导致电池不同程度的受损，电池容量也会变小，直接影响SOC估算精度。因此加入充放电倍率、温度和电池受损程度的参数补偿，提出一种采用开路电压法、电流积分法和利用电池组专用测试柜的多次实验数据库匹配补偿参数方法，对本文BMS中SOC进行估算，公式为1-1，能有效降低估算误差。
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