电动助力车锂离子电池组智能监控系统

作者：韩伟 唐海波 张力英 于宏图 曾巍

欢迎访问e展厅 展厅 5 摩托车/自行车展厅 沙滩摩托车, 电动自行车, 折叠自行车, ... 面对拥挤的交通、大量汽车尾气的排放，电动助力车作为小污染、小体积的新兴交通工具已越来越受到人们的青睐。作为电动助力车最主要环节的充电电池组也成了符合当前市场需求的热点产品。相较于现在市场上已有的铅酸/镍氢电池助力车，锂离子电池具有污染小、应用周期长、无记忆、高比容量、体积小、重量轻等优点，因此锂离子电池必将代替铅酸等电池成为电动助力车的主流产品。为使电动助力车更好的使用，如何延长电池的使用寿命、提高其安全性以及可靠性已成了车用充电电池组的首要任务。为解决这一问题，人们对电池的研究已不仅仅局限于对充放电特性及组合方法的研究了，还深入到控制电池的使用过程，使其更加合理可行地应用在理想的工作状态。由此，"电池智能监控系统"这个概念也应运而生。北京有色金属研究总院有自公司现成功的开发出用于电动助力车锂离子电池组智能监控系统。由于锂离子电池的一些独特特性，其使用安全性尤为重要，在这一智能监控系统中"均充能量分配"技术很好的解决了这一问题。 现对智能监控系统的基本情况介绍如下： 系统功能 智能监控系统应具备以下功能： 1.具有对电池组中每一单体电池均衡充电（恒流恒压充电）的功能。 2.精确提供（或者显示）电池状态数据，包括电池当前电压、电池、温度、电池剩余容量。 3.必要的保护与报警功能，即在充电过程中有相应的保护、报警措施，如过压保护、超温报警保护等。 4.具有与充电机间的数据传输功能，对电池的充电进行有效的管理和控制。 5.具有身份ID识别功能，以实现对电池组数据管理。 6.电池在使用一定时间后可通过充电机进行自诊断和自修复。 系统组成和工作原理 电动助力车锂离子电池组智能监控系统是由下列功能模块组成： 1.系统组成： 该系统的核心部分为微型机计算机控制模块，它由超级单片微型计算机组成，主要功能是数据处理、功能管理和自学习、自适应及模糊控制。 均充能量分配模块是整个系统的关键部分，它主要是针对由于单体电池容量不一致所导致的能量分散这一问题进行能量再分配，从而实现对每一单体电池均衡充电。 数据采集模块主要由电压测量、温度传感器和相应的A/D转换器组成，它的主要作用是采集电池在充放电过程中的电压、电流和温度等数据。 保护模块在电池相关参数偏离正常指标时，会自动切断回路。 充电机状态监控模块是由一系列监控单元组成 包括对充电电流、充电机电压和充电容量等的监控，主要是在电池充电过程中对电池进行保护，避免电池过充导致损坏。 电池修复模块是电池进行自诊断、自修复工作的环节，它执行核心模块的各种修复指令，对电池进行充电、放电、均充、均放等措拖，是该系统的重要环节之一。 信息存贮模块，它用于各种关键数据的存贮。 通信模块用于充电机和电动助力车控制系统的数据交流、数据保存和数据处理等。 剩余容量显示模块能够及时、准确、真实地显示电池组的荷电量（相当于汽车的油表），以及提示还能运行的里程。 故障报警模块是在电池出现异常状态时进行报警，主要是在超压、过流、过温、过放和过充等状态下进行报警。 ID识别模块用于电池组数据库管理、防伪。 上述所有模块的最终功效就是保证电池组在任何情况下都能正常工作。而对外部来讲，电池组的原有性能指标是不变的，也就是增加了电池管理系统后，与不增加管理系统的电池一样使用。 2.工作原理 为使锂离子电池组工作的更安全可靠，在其充电时，采用"分步式"充电方式即为先恒流后恒压（先以恒流方式充电，当电池达到恒压值后即平均每只电池电压4.2V时，转入恒压充电）。采用这种充电方式的主要原因是：在恒流充电过程中，电池组中的每一单体电池都有可能超过4.2V，当其超过4.2V时电池就有可能损坏甚至爆炸；而如果电池组中某节电池电压达到恒压值后就停止充电，将会导致电池组中各单体电池的容量差异越来越大，这样也会损坏电池，减少其寿命。因此，在锂离子充电过程中应采用先恒流后恒压。而实现此种充电方式的环节就是均充保护模块。电池组中每一单体电池都配有均充保护模块，当某节电池电压达到恒压值时利用均充保护模块分掉部分电流，以保持恒压直到整组电池电压达到恒压值，并充满电池为止。这就是锂离子电池均充能量分配模块的主要工作原理。 当电池正常使用时，系统对电池电压、电流、温度进行测量，一旦出现异常情况，进行报警并且自动切断电池供电回路。尤其重要的是精确测量电池的剩余容量，使测量误差小于8%。 电池初次使用或长期存放后管理系统将对电池进行活化处理。定期对电池修复，进行荷电校准、均充处理，使电池组内部单体电池达到高度一致。定期对电池进行去记忆处理，延长电池使用寿命。 电池充电时，监控充电机充电状态，当充电机电压过高或充电电流过大等异常情况出现时，切断电池回路，并通过信息传输，切断充电机回路。 充电机可以对电池进行身份识别，辨别电池真伪，并通过与电池间的数据通信进行电池的监控和管理。 由于该系统采用了智能化，模糊控制技术，其自学习、自适应功能使电池成为"傻瓜"型电池，寿命达到1500次以上甚至更高，可使用3年以上。 实验结果 系统完成后对12Ah锂离子电池组进行了充/放电、过温、过压、欠压，均充，荷电量等实验，其数据如下： 充电实验 通过该系统对12Ah锂离子电池组进行充电从零容量开始以2A电流充电，按充电效率95%计算，在充电4小时后，系统报警并停止充电；从而达到充电95%容量的指标。 放电实验 对充满的电池进行放电，电流为2A-6A之间；当系统报警后，对电池剩余容量进行测量，结果为2.02Ah，与系统保护值1.8Ah比较相差了0.22Ah，误差为1.8%，满足指标要求。 过温、过压和欠压实验 当温度超过60℃，充电电压超过42.2V，放电电压（过放）低于27V时都得到了保护（断路）的结果。 均充及荷电量实验 对电池组进行50次摸拟充放电实验，放电电流在2-8A之间，充电电流为2A 20%范围内变化，对显示荷电量为6.8Ah的电池组进行容量测量，实际为5.92Ah，其误差为7.33%，说明其均充及荷电量测量相当准确。 性能指标 1.电压：36V 2.电流：充电 2A； 放电 0-10Ah 3.有均衡充电和放电保护功能 4.测控参数：电流、电压、温度、电量等 5.剩余容量显示功能 6.定期维护和保养功能等 7.超限报警和保护功能 结论 采用此系统，能够有效地克服铅酸、镍氢电池在电动车上应用的各种缺点，正常使用寿命达到1500次以上。重量轻、体积小的锂离子电池势必取代铅酸、镍氢电池，成为高档电动助力车的首选电池。而完备的系统功能将有利于电动车的推广应用。 (end)

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