分析磷酸铁锂电池检测保护系统的特点

本文将介绍针对磷酸铁锂电池动力模块在推广应用中存在的重要技术问题的软件解决方案：抛弃原有的用于手机、笔记本电脑的单电芯锂电池保护技术方案，采用高速多通道数据采集技术设计全新的电池保护监测系统；使用动力电池模块动态均衡方法，在对电池组模块进行统一充电的过程中动态地调整模块内各电芯的充电电流，实现电池组内各串联电芯的电压均衡，提高电气可靠性。

1磷酸铁锂电池保护监测系统设计概述

电池保护监测系统主要依赖于软件的设计。系统能否正常可靠地工作，除了依赖于硬件的设计之外，功能完善的软件设计也极其重要。根据锂电池组保护监测系统要求，系统设计重点实现以下功能：

(1)多通道数据采集的功能：采集电池组的电压电流值，达到对电池组工作进行实时监测。

(2)由采集的模块数据，确定电池的剩余电量(SOC)，及时提醒用户充电，提高电池的使用寿命。

(3)电池模块动态均衡：在对电池组模块进行统一充电的过程中动态地调整模块内各电芯的充电电流，实现电池组内各串联电芯的电压均衡。

本系统基于磷酸铁锂电池的特性，综合国内外动力模块的保护和监测方案，为国内电动自行车、电动高尔夫球车、电动汽车的应用进行设计。系统硬件设计的重点为动力模块的数据采集，软件设计重点在SOC(剩余电量值)的计算以及模块动态均衡.

2电压、电流数据采集

系统采用分布式数据检i贝0的方式采集电压以及电流数据，利用扫描方式快速完成电池各模块电压的数据采集及总电压的计算，实现硬件部分分时复用，以降低成本。

3动力模块的动态均衡

均衡直接影响动力模块的使用寿命。例如在一个16串的锂电池动力模块组中，充电时假如有一个电芯的电压达到3.7V，为了保护该锂电池电芯，必须停止充电，此时假如有不均衡现象存在，如一个电芯的电压只有3.0V，该电芯虽然未充满电，也不能再充了；该动力模块使用时，由于有一个电只有3.0V，它将很快耗尽电能，电压降到极限值以下，为了保护该锂电池电芯，必须停止放电。这样就导致动力模块充电时电充不进去，放电时电放不出来的不良结果。

锂电池动力模块组的均衡问题是一个世界性的难题，全世界都在研究如何采用方便可行的办法实现锂电池的均衡使用。本系统采用旁路电流动态均衡的方法实现磷酸铁锂电池动力模块的充电均衡，技术难点是建立动态均衡的数学模型，研究控制算法。

动力电池组是由多个单体电池串联组成的电池模块，由于动力电池组中单个电池容量的不一致，通过若干次充放电循环后电池组会失衡，对系统中的每一组电池都配有这样一个均衡模块。

本文通过对锂电池的多种充电方法分析，系统采用分段恒压和恒流的充电方式。但是，在锂电池充电后期，为了保证电池安全性及其寿命，必须采用恒压充电。以下是本系统采用的两种智能充电算法的设计描述。

3.1多段式优化充电算法

多段式智能优化充电方法在充电过程可划分为起始态、多段恒流态(此处为两段恒流)、恒压态等。控制过程及原理简单，充电初期速度快，充电效率高。

3.2三段式均衡充电算法

采用三段式均衡充电方法时，其充电过程可分为起始态、恒流态、恒压态和均衡充电态。当充电进人均衡阶段后，延迟一定时间，认为电池已充满，充电自动结束。

指标可靠性/h均衡指标/V充放电次数/次输出功率/A

电动自行车（48V）200000.1由500次提高到1500次100

电动高尔夫球车（48V）250000.1由500次提高到1200次300

纯电动汽车（144V）250000.1由500次提高到1200次200

本文基于应用于电动自行车、电动高尔夫球车、电动汽车的磷酸铁锂电池，分析其保护监测系统的设计，该系统的特点如下：

(1)抛弃原有的用于手机、笔记本电脑的单电芯锂电池保护技术方案，采用高速多通道数据采集技术设计全新的电池保护监测系统。

(2)研究锂电池动力模块的电压限值控制曲线，实现电压控制范围的自适应调节；计算出锂电池工作的电压范围限值以及合理的充电电流，提高系统的电气可靠性。

(3)采用专门的电池模块动态均衡方法，在对电池组模块进行统一充电的过程中动态地调整模块内各电芯的充电电流，实现电池组内各串联电芯的电压均衡，同时要求成本低，可靠性高。锂电池保护监测系统是新能源电动车研究的最重要的组成部分，该系统解决了锂电池应用过程中安全性差、充电一致性差等技术难题。近几年，磷酸铁锂电池动力模块技术逐渐成熟，有望全面取代铅酸电池的动力电池产品。与现在普遍采用的铅酸电池相比，磷酸铁锂电池具有重量轻、使用寿命长、存储能量大等无可比拟的优点，磷酸铁锂电池代替铅酸电池代表了新能源电动车研究发展的方向。