混合動力船舶鋰電池保護(hù)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 凱，張澤宇，蔣 煒

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混合動力船舶鋰電池保護(hù)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 凱，張澤宇，蔣 煒

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了一套基于8051微控制器的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)針對混合動力船舶的使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，可滿足鋰電池充放電過程的復(fù)雜性的需要，對鋰電池單體及整組提供過充過流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)等智能保護(hù)，具有可靠性高、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

鋰電池 8051 保護(hù)板

0 引言

目前隨著新能源船舶的發(fā)展，鋰電池在混合動力船舶上適用日益廣泛。鋰電池具有高能量、工作溫度范圍寬、工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長等諸多優(yōu)越特性。但鋰電池同樣也存在在惡劣的環(huán)境可能會發(fā)生起火等不穩(wěn)定性問題，本文針對混合動力船舶鋰電池使用的情況，對鋰電池單體及整組電池提供過充過流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)、充電機(jī)反接保護(hù)、電池均衡等，采用了智能保護(hù)、電壓均衡控制等智能化技術(shù)，是功能強(qiáng)大、技術(shù)指標(biāo)完善的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)。

1 鋰電池保護(hù)板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中采用的鋰電池組為32串單體20 Ah磷酸鐵鋰電池成串，構(gòu)成96 V，20 Ah電池組。

該電池組正常使用過程中，額定放電電流為80 A，瞬時(shí)放電電流200 A（5 ms），額定充電電流10 A，過流能力100 A（持續(xù)90 s）。

如圖1所示。電池組的充放電分別由主回路模塊中的充放電開關(guān)管K1、K2控制。當(dāng)主控制模塊檢測到電池組出現(xiàn)過壓、過流、過溫、短路等故障時(shí)，控制電路將斷開充放電開關(guān)管，切斷電池連接主回路，起到保護(hù)電池和用電設(shè)備的作用。報(bào)警信號模塊安裝在電池外殼上，可以顯示當(dāng)前電量和電池系統(tǒng)狀態(tài)。

系統(tǒng)具有以下功能：1）保護(hù)功能；2）通信功能；3）電池組電壓、充放電電流采集，電池組溫度采集；4）加熱板控制功能；5）觸點(diǎn)控制功能。

2 鋰電池保護(hù)板的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)框圖按照功能可分為以下三個模塊：主回路模塊、主控制模塊、報(bào)警信號模塊。

2.1主回路模塊

充放電主回路模塊由功率MOSFET管、驅(qū)動回路、采樣電阻組成。充放電開關(guān)管由8個功率MOSFET（IRFP260）并聯(lián)構(gòu)成，IRFP260具有體積小、導(dǎo)通電阻?。?.06Ω）和漏源擊穿電壓高（200 V）的優(yōu)點(diǎn)，適用于本文中的使用環(huán)境。

正常情況下，充放電開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池組的具體工作狀態(tài)由主控制模塊控制，可以工作在放電狀態(tài)，也可以工作在充電狀態(tài)。板載有高精度、高可靠性錳銅采樣電阻可采集電池組主回路電流，當(dāng)保護(hù)回路檢測到過充電、過放電、過電流等異?，F(xiàn)場時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷充電或放電回路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。如圖2所示。

2.2主控制模塊

主控制模塊基于8051單片機(jī)開發(fā)。MCU為電池管理系統(tǒng)的核心，通過通訊總線讀取電壓采集與保護(hù)電路、電流采集與保護(hù)電路和溫度采集保護(hù)電路采集到的電池參數(shù)，利用內(nèi)建的電池模型對電池組及每個單體電池的狀態(tài)進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上依據(jù)相應(yīng)控制、保護(hù)策略對外圍設(shè)備（如加熱器）給出控制指令，或者給出狀態(tài)顯示和報(bào)警信號（上位機(jī)）。如圖3所示。

主控制模塊的開關(guān)電源模塊采用朝陽電源公司的M系列電源模塊，該軍用級電源模塊具有高精度、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)。

電壓采集及保護(hù)電路主要完成對電池組內(nèi)單體電池端電壓和總電壓的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測到電池組出現(xiàn)單體過壓、電池組過壓等故障時(shí)，控制電路將輸出保護(hù)信號給開關(guān)管驅(qū)動電路，斷開充放電開關(guān)管。

電壓采集及保護(hù)電路具有均衡功能。電壓采集及保護(hù)電路接收MCU的指令，對需要電壓均衡的單體電池進(jìn)行電阻均衡。該電路主要功能模塊包括LINEAR公司的專業(yè)電池管理芯片LTC6803I，該芯片通過支持多節(jié)電池組電壓測量以及電壓均衡。

電流采集及保護(hù)電路主要完成對電池組充放電電流的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測到電池組出現(xiàn)短路、過流等故障時(shí)，控制電路將輸出保護(hù)信號給開關(guān)管驅(qū)動電路，斷開充放電開關(guān)管。電流采集通過主回路模塊高精度、高可靠性錳銅采樣電阻實(shí)現(xiàn)。

溫度采集及保護(hù)電路主要完成對電池組溫度的檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過總線傳遞給MCU。當(dāng)檢測到電池組出現(xiàn)過溫、低溫等故障時(shí)，控制電路將輸出保護(hù)信號給開關(guān)管驅(qū)動電路，斷開充放電開關(guān)管。

溫度采集及保護(hù)電路含6個溫度測點(diǎn)，該溫度測點(diǎn)采用數(shù)字式溫度計(jì)ds18b20，其具有最高 12 位分辨率，精度可達(dá)±0.5 ℃，檢測溫度范圍為-55°C ～+125°C。另外提供2個溫度測點(diǎn)（PT100）由上位機(jī)采集。

2.3 報(bào)警信號模塊

報(bào)警信號模塊由4個LED雙色指示燈（紅綠）構(gòu)成。通過主控制模塊控制，顯示電池組和保護(hù)板的狀態(tài)。

在系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，指示燈為綠色，顯示電池組電量。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，指示燈為紅色，分別對應(yīng)控制系統(tǒng)故障、充電故障、放電故障和備用。

3 鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的控制策略

3.1 工作模式

鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)根據(jù)電池狀態(tài)工作在靜置模式、充電模式和放電模式。鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)由外部供電（DC24 V/20 W），并且系統(tǒng)啟/停機(jī)由外部端子控制。具體工作步驟如下：1）外部供電開關(guān)合閘，保護(hù)板系統(tǒng)輔助加熱電路工作。2）外部系統(tǒng)啟/停開關(guān)合閘，保護(hù)板系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)開始運(yùn)行，輔助加熱電路停止工作。3）保護(hù)板系統(tǒng)正常運(yùn)行，對電池組進(jìn)行檢測和保護(hù)。4）外部系統(tǒng)啟/停開關(guān)分閘，保護(hù)板系統(tǒng)停機(jī)，系統(tǒng)停止工作。5）外部供電開關(guān)分閘。

3.2 保護(hù)措施

鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)具有單體電壓過充、總電壓過充、過流、高溫、低溫、短路等，保護(hù)措施如下（保護(hù)閾值可修改）:1）單體電壓或總電壓過充，當(dāng)超過設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)關(guān)斷充電MOSFET并停止充電；2）充電過流，當(dāng)超過保護(hù)閾值15 A設(shè)定值90 s時(shí)，關(guān)斷充電MOSFET并停止充電；3）放電過流，當(dāng)超過保護(hù)閾值105 A設(shè)定值90 s時(shí)，關(guān)斷放電MOSFET并停止放電；4）電池組溫度異常，當(dāng)電池組溫度大于75℃和小于-20℃時(shí)，關(guān)斷充放電MOSFET、電池組停止工作；5）電池組短路，當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)大電流（200 A）時(shí)立刻關(guān)斷充放電MOSFET、電池組停止工作。

3 鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文中鋰電池保護(hù)板主要針對32串，總電壓96 V，容量20 Ah鋰電池組提供過充過流保護(hù)、高低溫保護(hù)、放電短路保護(hù)、充電機(jī)反接保護(hù)等，以下為本系統(tǒng)的實(shí)際聯(lián)調(diào)圖。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套針對32串鋰電池組的鋰電池保護(hù)板系統(tǒng)，采用了智能保護(hù)、電壓均衡控制等智能化技術(shù)，能夠滿足工業(yè)的需要，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特點(diǎn)。

[1] 蔣新華.鋰離子電池組管理系統(tǒng)研究［D］.上海：中國科學(xué)院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2007.

[2] Park Sang-Hyun, Kim Tae-Sun g, Park JinSik , et al . A new buck-boost type battery equalizer [ C ]//The 24thAnnual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposit ion, 2009: 1246- 1250.

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Design and Implementation of Li-ion Batteries Protection Board to Hybrid Power Ship

Liu Kai,Zhang Zeyu,Jiang Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China)

TP274

A

1003-4862（2016）05-0038-03

2015-12-16

劉凱（1980-），男，高級工程師。研究方向：船舶系統(tǒng)集成。