模块化的锂电池组管理系统

　　摘要：太阳能、风能发电量逐年上升，但发电间歇性与不稳定性，以及外部不确定因素，都会使该类能源并网时遇到阻碍。解决该问题往往通过配备大型储能装置，平抑发电系统固有的间歇波动后再逆变并网。大容量储能装置的合理应用能有效解决我国中西部某些经济欠发达地区的发电量不足的问题，大大缓解了国家电网的压力，也为新能源的存储提供了有效途径。目前，大容量储能装置大都通过单节电池串并联后组成。成组后电池因其固有差异及使用过程中形成的所有微小的变化，会导致电池性能不一致。电池性能不均一与离散容易使得电池组失去均衡，如不加以补偿管理，长此以往，势必在电池组使用时带来安全问题。所以大型储能装置配备了电池管理系统，可以补偿差异、实现均衡，为电池组正常运行提供保障。

　　关键词：模块化;锂电池组;管理系统;优化措施

　　引言

　　锂离子电池已在各类电子产品中得到广泛应用。受单体电池电压和容量限制，往往需要将单体电池串并联组成电池组给各类装置供电。组合内单体虽然经过匹配测试，但依然无法保证各个单体电池电压、内阻、容量完全一致，尤其是使用一段时间后，单体之间性能差异会逐渐变大。电池管理系统应运而生成为电池组标准配置，用以补偿或减少电池组内单体不一致性，从而延长使用寿命。电池管理系统包括电池组工作数据采集、均衡管理、SOC评估以及实时监控管理等功能。电池组数据采集电路应具有抗干扰、较好测量精度以及较快采样速率特点。电池组均衡管理电路是整个系统重点，要尽力降低均衡时间和提高均衡效果。SOC评估重点在于精度符合要求的在线评估算法。实时监控目的是监测电池组工作状态，防止出现过充过放和过温等问题。

　　1系统设计

　　电池管理系统主要由主控制器模块、主动均衡模块、采集模块、保护电路模块和显示模块组成。

　　1.1采集模块

　　采集模块用ADI公司电池监测芯片LTC6803-1，芯片内置具有噪声滤波器的DS转换器和12位ADC，最多可以同时对12只串联的锂电池进行电压和温度采样，采样周期13ms，最大总测量误差不超过0.25%，外围电路简单，抗干扰能力强。

　　通过集成芯片对工作中的电池组进行电压采集，数据放置在采集芯片的寄存器中。最终由上位机读取相应寄存器，通过转换公式得到当前的电池组各节电池电压。

　　为保证测量的数据不被尖峰干扰，需要在芯片的每个测量口加入一个低通滤波器电路，同时为防止电池反接对采集芯片造成损害，在每块电池前加入一个稳压二极管进行保护，见图1所示。由于LTC6803-1芯片是一种常用于实现数模转换功能的芯片，它能提供一个基本是0.5ms转换窗口的平均值的转换结果，这就表明可以使用一个500kHz频率下具有30dB衰减的低通滤波器。根据100W，0.1mF的参数设计，可以组成一个16kHz低通滤波器，且提供30dB的噪声抑制。

　　1.2隔离通信

　　LTC6803的供电电压为5V，但主控制芯片的供电电压为3.3V。为保护MCU正常工作，需要在SPI通信时采用基于iCoupler磁耦隔离技术的通用型四通道数字隔离器来隔离通信芯片ADUM1411。相较于光电耦合器的不稳定电流传输率、非线性传输的问题，磁耦隔离能在寄存器通信时达到可靠、高速率的传输。

　　1.3保护电路模块

　　将采集得到电池组的总电压和初始设定的一个基准电压进行比较。若总电压小于基准电压，便向主控制器传输一个信号，控制器将执行电池组的关断操作，避免电池组因过放引发安全问题。

　　同理，将检测得到的电流与阈值进行比较，若电流过大，主控制器将对电池组进行关断操作。通过模拟信号可以更快实时响应当前电池组电流过大或电压不足情况。基准电压可通过改变电阻进行调整，实际大小根据当前工作的电池组数量而定。

　　2下位机硬件设计

　　2.1温度监测电路设计

　　温度监测是为了在电池工作过程中监测系统的温度，防止温度过高对电池造成危害，而产生其他危险。同时，电池放电时所释放的热量过大会导致LTC6803芯片温度上升，当芯片温度大于105℃时会使芯片损坏。为此，必须对电池及芯片的温度进行测量，温度过高时打开外置风扇进行散热，以防止电池及芯片的损坏。

　　2.2继电器控制电路设计

　　管理系统中，为了防止电池的过充和过放，充电时在检测到某节电池的电压高于4.2V时，要及时断开充电回路;放电时当某节电池的电压低于3.0V时，要断开放电回路，停止放电。这就需要以三极管作为开关，通过控制继电器线圈是否接入电源，来控制充电与放电回路的接通与关断。

　　3下位机软件设计

　　3.1电压与温度测量程序设计

　　电压测量是依据LTC6803电池监测IC的电压监测功能来编写的。由主机STM32发送测量命令代码至LTC6803，根据接收到的具体命令，完成电压测量和数据回传。根据不同的命令代码和PEC字节编写不同的命令代码子程序，在电压检测的过程中分别调用所需子程序来完成整个测量过程。

　　3.2SOC评估算法设计

　　SOC评估算法是整个软件系统中最核心的一部分，SOC评估算法流程见图6。在电池信息检测过程中，传感器采集到的数据会存在一些噪声，给检测带来一定的误差，因此在电压检测后，利用扩展卡尔曼算法进行滤波，将得到更准确的电压值。本设计中采取将SOC与每毫伏工作电压的对应关系做成超大型数组，通过查表法将测得的电压转换成SOC，这样既提高了准确性也提高了实时性。

　　4动力锂电池回收工艺

　　4.1干法回收

　　干法回收是指不通过溶液等介质，直接对有价金属进行回收，主要使用方法有物理分选法与高温热解法。物理分选法是指对电池进行分离拆卸，通过使用物理手段对拆分下来的电极活性物质、集流体和电池外壳等电池组分通过破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎和分类一系列操作，从而将高价值金属材料与其他物质分离。虽然操作过程简单，但不能完全对锂电池进行组分分离，并在物理操作过程中，难以对电池中的金属材料进行有效回收。

　　高温热解法是指将经过物理破碎等初步分离处理的锂电池材料进行高温焙烧分解，将有机粘合剂去除，从而分离锂电池的组成材料。虽然此方法操作工艺简单，在高温条件下反应迅速，效率比较高，能够除去残留的粘合剂，适应于处理大量或者结构较为复杂的电池，但是在处理过程中容易产生有害气体，产生二次污染，因此还要对产生的有害物质进行防治，处理成本更高。

　　4.2湿法回收

　　湿法回收工艺是通过酸碱溶液对废旧锂电池中金属离子进行溶解，然后进一步使用沉淀、吸附等手段将溶液中的离子进行再提取，使其以氧化物、盐等形式分离。虽然过程较复杂精细，但回收产品纯度高，故湿法回收工艺是目前废旧锂电池回收工艺的首选，正逐渐成为专业化处理的主流技术手段。

　　湿法回收主要分为三个阶段：首先，对废旧锂电池进行放电处理、拆分破碎等物理操作，筛选后得到主要电极材料;其次，预处理得到的电极材料进行溶解浸出，使其中的金属及其化合物以离子形式进入到浸出溶剂中;最后，对浸出溶液中的金属离子进行分离回收，这一步骤是湿法工艺回收处理废旧电池的关键，也是目前研究的难点与热点。

　　电力论文投稿期刊：电源技术主要服务对象是从事化学与物理电源研究、研制、生产的科技工作者，科技管理工作者，有关专业的高等院校师生及部分用户，与电源相关行业的研究、研制、生产者。

　　结论

　　本文在总结相关电池管理系统研究工作的基础上，提出了一种模块化的电池管理系统，完成了对电池组的电压、电流等参数的精确采集，实现了主动均衡。经实验结果表明，采集模块的最大误差不超过10mV，满足3.7V电压的0.25%的精度误差要求。主动均衡模块能对电池组内的电压不一致的电池进行有效的均衡操作。

　　参考文献：

　　[1]陈蕾，王顺利，张丽，等.锂电池组主从通信模式下均衡充电系统的设计[J].化工自动化及仪表,2018,45(4):320-323.

　　[2]许守平，侯朝勇，胡娟，等.大规模储能用锂离子电池管理系统[J].电力建设,2014,35(5):73-78.

　　[3]夏正鹏，汪兴兴，倪红军，等.电动汽车电池管理系统研究进展[J].电源技术,2012,36(7):1052-1054.

　　作者：罗玉花 丁利辉 李振鼎 段源菊 王世恩