24V/20A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

尤曉蕾+任紀(jì)偉+劉亞

摘 要：磷酸鐵鋰電池是一種新型鋰離子蓄電池，具有高容量、高輸出電壓與良好的充放電特性，是傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫等蓄電池?zé)o法比擬的，但其同時(shí)也存在電池組一致性、電池過充等問題，因此在實(shí)際使用過程中需要配合電池管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行管理和保護(hù)，以發(fā)揮其最佳性能。文中設(shè)計(jì)了一款具有24 V/20 A輸出功能的磷酸鐵鋰電池電源管理系統(tǒng)，采用MKE02Z64VQH2微控制器和MAX17830架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用MAX17830進(jìn)行電池組信息的采集并使用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理。文中的主要研究?jī)?nèi)容包括車載磷酸鐵鋰電池組成的方案設(shè)計(jì)、電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；MAX17830；MKE02Z64VQH2

中圖分類號(hào)：TP39；TM911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池是一種新型、高效，采用磷酸鐵鋰材料作為正極的鋰電池，其工作原理是當(dāng)電池放電時(shí)，Li+從負(fù)極中脫出，經(jīng)電解液和隔膜進(jìn)入正極；當(dāng)電池充電時(shí)，Li+從正極脫出，經(jīng)電解液和隔膜進(jìn)入負(fù)極。該電池具有壽命超長(zhǎng)、高安全性、污染小、體積小重量輕、電池單體電壓高，放電平臺(tái)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在導(dǎo)電性能較差、鋰離子擴(kuò)散速度慢，振實(shí)密度低，電池組一致性較嚴(yán)重，低溫性能差，制造成本較高等問題。

為了充分發(fā)揮其最佳性能，需要配合電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行管理和保護(hù)。在電池使用過程中對(duì)電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行跟蹤、記錄、管理和控制，為電池的維護(hù)保養(yǎng)和合理使用提供更多有力依據(jù)，并增加電池使用壽命。電池管理系統(tǒng)作為電池系統(tǒng)的重要組成部分，雖然在檢測(cè)精度、可靠性和耐久性等方面取得了一定進(jìn)步，但還有很多問題沒有得到解決，比如如何最大限度利用電池的電量，電池如何在變化的氣候工況下工作，電池的剩余電量如何指示，如何對(duì)電池進(jìn)行快速充電，如何延長(zhǎng)電池的使用壽命等。

目前磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)智能化程度低，通用互換性差，故從電池應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)在使用中可以輸出24 V/20 A直流的磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、溫度管理、均衡管理等功能，系統(tǒng)可以通過串、并聯(lián)等多種組網(wǎng)方式對(duì)外提供多種直流電。并對(duì)磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)等技術(shù)展開系統(tǒng)研究，硬件采用MKE02Z64VQH2微控制器和MAX17830架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用ARM-M0+內(nèi)核的KinetisE系列MCU作為系統(tǒng)的主處理器對(duì)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理。

1 電池管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，模塊采集電池的放電電流、電壓以及溫度等信息數(shù)據(jù)，再由控制單元（ECU）進(jìn)行電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果由控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息。據(jù)此原理，美國(guó)托萊多大學(xué)設(shè)計(jì)出了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在該磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中，電池管理系統(tǒng)被簡(jiǎn)化為1個(gè)ECU和1個(gè)均衡器（EQU）。系統(tǒng)中ECU的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理和末端控制。

圖1所示為韓國(guó)Ajou大學(xué)研發(fā)的電池管理系統(tǒng)。圖中展示了電池管理系統(tǒng)各模塊的基本結(jié)構(gòu)與模塊之間的邏輯關(guān)系。從車載電池應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)電池供電系統(tǒng)方便、簡(jiǎn)潔、安全、高效的要求，結(jié)合電池應(yīng)用中磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的特殊情況，設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用過程中可輸出24 V/20 A直流。從整體供電進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，電池管理系統(tǒng)采用二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，硬件采用MKE02Z64VQH2和MAX17830嵌入式結(jié)構(gòu)。

2 電池管理系統(tǒng)的基本功能

目前，國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用BMS通常具有數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）、安全管理和控制以及熱管理等功能。

在BMS中，數(shù)據(jù)濾波處理、采樣頻率和采集精度等數(shù)據(jù)采集的源頭環(huán)節(jié)非常重要。BMS須采集每個(gè)單體電池的電壓及每個(gè)單體電池的溫度以保證磷酸鐵鋰等鋰離子電池的安全要求。

BMS系統(tǒng)的關(guān)鍵在于確定電池的剩余容量（SOC）。傳統(tǒng)的SOC估算方法包括開路電壓法、內(nèi)阻法、安時(shí)法等。近年來隨著控制算法的進(jìn)步又相繼研發(fā)出SOC新型算法，如卡爾曼濾波估計(jì)模型的算法、模糊邏輯算法模型的算法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷模型的算法及新出現(xiàn)的線性模型法的算法和阻抗光譜法的算法等。

電氣控制需要根據(jù)SOC以及溫度變化來限定放電電流大小；控制充電過程包括均衡充電等。電氣控制中通過結(jié)合使用電池技術(shù)和電池類型技術(shù)，設(shè)置一個(gè)控制充放電的算法，并將該算法作為充放電控制的標(biāo)準(zhǔn)，因而可最大限度提高電池利用率。

3 磷酸鐵鋰電池BMS硬件設(shè)計(jì)

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的核心架構(gòu)是MKE02Z64VQH2和MAX17830，采用M0+內(nèi)核的KinetisE系列MCU作為系統(tǒng)的微處理器，既可有效保障管理系統(tǒng)的高速運(yùn)行，又可實(shí)現(xiàn)低功耗的目的；使用MAX17830對(duì)系統(tǒng)的8節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行管理。系統(tǒng)的硬件功能模塊組成包括穩(wěn)壓模塊、電壓采集與均衡模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、充放電控制模塊、通信模塊以及顯示控制模塊。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用基于MAX17830+ ARM-M0+的硬件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用KE02微控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)如圖2所示的系統(tǒng)架構(gòu)。

該系統(tǒng)由額定電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰8節(jié)單體電池串聯(lián)，電壓采用通道8路的方法，需要在設(shè)計(jì)上通過MAX17830電壓管理芯片來完成磷酸鐵鋰電池的電壓信息采集工作，并通過AD采樣的KE02主控制器將MAX17830模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用于模擬數(shù)字和后續(xù)處理。整個(gè)系統(tǒng)的溫度檢測(cè)采用DS18B20與鉑電阻溫度計(jì)相結(jié)合的策略，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，使用加熱模塊控制電池溫度，改善低溫運(yùn)行狀況。KE02主控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和分析，對(duì)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，控制系統(tǒng)的充、放電狀態(tài)，并通過串口和液晶屏進(jìn)行信息交互。此外，本系統(tǒng)外掛的SPI存儲(chǔ)芯片可存儲(chǔ)重要的數(shù)據(jù)。

若長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響磷酸鐵鋰電池的安全性和壽命，因此需要對(duì)電池組進(jìn)行均衡管理。該均衡管理系統(tǒng)采用電池均衡管理活動(dòng)下的均衡管理策略，使用飛思卡爾生產(chǎn)的KE02系列芯片進(jìn)行電池電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，由于KE02芯片的工作電壓為5 V，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換電壓為5 V，如果直接對(duì)電池組進(jìn)行檢查則會(huì)超出測(cè)量量程，無法實(shí)現(xiàn)電壓采集功能。為解決這一問題，使用電壓采集芯片MAX17830進(jìn)行電池電壓的采集工作，KE02芯片控制MAX17830芯片打開對(duì)應(yīng)的電壓通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定電池端電壓的采集，且可通過MAX17830芯片內(nèi)部集成的MOS驅(qū)動(dòng)陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的均衡管理。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)車載應(yīng)用的實(shí)際需求和電池應(yīng)用的特殊環(huán)境，以及車載磷酸鐵鋰電池方便、簡(jiǎn)潔、安全、高效的需求，從整體供電進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。電池管理系統(tǒng)采用二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，硬件采用MKE02Z64VQH2和MAX17830嵌入式結(jié)構(gòu)，研究了數(shù)據(jù)采集，狀態(tài)監(jiān)控，安全管理等方面的問題，并設(shè)計(jì)了具體的應(yīng)用電路，該系統(tǒng)可以輸出24 V/20 A直流電。

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