基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统研究

人类正面临传统化石能源的日益枯竭带来的能源危机和由化石能源燃烧带来的环境污染的双重压力,迫切需要发展新能源。锂离子电池(锂电池)作为新能源存储介质,是性能优良的绿色环保电池,其以端电压高、能量密度大、转换效率高、寿命长、无污染等优点得到了广泛的应用。但锂离子电池安全性差、电量估算难、串并联使用问题多,若管理不当不仅会大大减少其使用寿命,而且可能发生爆炸等危险。电池管理系统(Battery Management System,BMS)的发展对于有效发挥锂离子电池的性能、保障电池的使用安全以及推广其大规模应用具有重要的现实意义。近年来,BMS技术随着当前电动汽车、电动自行车等的发展取得了长足的进步。但锂电池内部特性和外部工作环境都很复杂,对BMS性能要求很高。因种种原因,目前国内外的电池组管理系统技术均远未成熟,故影响锂电池作为动力能源的推广应用。当前BMS研究大多集中在电动汽车等使用的大型电池组管理上,对管理数十节电池单体的中型BMS的研究则要滞后很多。本文以中型锂离子电池组管理系统为研究对象,针对当前BMS中存在的电池电量估算不准、电池组不易均衡等关键技术问题,结合嵌入式硬件系统的应用实际,设计了以电池监控芯片AD7280A和微控制器STM32为核心的BMS,取得了一些可应用的成果。本文的主要工作和贡献在于:1、针对传统的锂离子电池剩余电量(SOC)估算使用极为广泛的安时法初值不准及没有考虑电池的自恢复效应的问题,本文利用扩展卡尔曼滤波(EKF)在Thevenin电池模型上对SOC初值进行了修正,并使用改进的安时法(增加了自恢复因子)对SOC进行估算,提高了SOC估算的精度。2、针对串联电池组均衡中被动均衡法耗能及主动均衡法设计复杂、安全性低等缺点,本文在传统旁路均衡法的基础上,提出了低耗能自动均衡法,该方法依赖硬件与软件的配合,实现对电池组自动均衡,且对电压、电流、温度进行实时监控,在减少能量耗散的同时,大大提高了系统的安全。3、本文设计了能够管理12串1并18650锂离子电池的BMS硬件实验平台,并完成嵌入式系统软件设计和实现,并以Labview语言设计了上位机应用程序,在实验过程中对电池组状态进行实时监控和显示。4、以本文设计的BMS为平台对电池组进行了充放电实验及均衡实验,实验结果表明该BMS能够较好地对电池组进行管理,满足中型锂离子电池组管理的需求。