小型锂离子电池主动均衡管理技术研究

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锂离子电池的成组应用是目前新能源发展的一个重要方向,但在此应用中电池的不一致性问题是阻碍其推广的一大难题,解决锂离子电池不一致性的主动均衡管理技术是电池管理系统研究的重点内容之一。本文通过对串联锂离子电池组主动均衡技术的研究,设计出一款适合小容量串联锂离子电池组的主动均衡管理系统,设计中利用E-SMART的BRC14500型号的锂离子可充电电池作为实验对象。本文首先对电池的不一致性问题以及电池均衡的判断标准做了研究;再对当前的各种电池均衡管理方法进行了深入的对比探讨,包括各种均衡拓扑结构以及具体实现方式;随后着重研究了一种电感式主动均衡管理系统,采用TI公司的bq78PL116作为主控芯片,与bq76PL102双电池监测芯片进行级联,并进行了相应的芯片外围电路、系统供电和电池单体电压检测电路、电流检测电路、电感式主动均衡电路、SMBus通信电路和安全保护电路的设计,完成了一个可以对3-12节串联电池组进行主动均衡管理的硬件系统。在硬件设计的基础上,进行了均衡管理系统的软件设计,首先进行了均衡策略的制定,在均衡启动阈值θ的基础上,设定了单体启动阈值θ’,提高了均衡效率,然后进行了均衡模块以及SMBus通信的软件设计。基于Matlab的Simulink的软件仿真平台,进行了锂离子电池电感式主动均衡系统模型的搭建以及静置、充电和放电三个状态的均衡仿真,仿真结果显示电感式均衡可以有效保证电池组中各单体电池的一致性,验证了设计的正确性。最后把实现的硬件系统通过USB-TO-GPIO与bq Wizard上位机软件进行连调测试,测试结果显示,电池组内各单体电池的电压在均衡管理系统工作下-致性变好,当电池组内向正极方向进行均衡时,实际均衡电流平均为140mA左右,当电池组内向负极方向进行均衡时,实际均衡电流平均为100mA左右,均衡效率为71%。由上位机绘制的均衡过程中各单体电池电压的波形,可清晰看出此系统均衡效果明显,且工作稳定,控制简单,达到了最初的设计目标。本设计实现的电感式主动均衡管理系统,可用于解决3-12节串联锂离子电池组中各单体电池的不一致性问题,可应用于例如笔记本电池等小容量的锂离子电池组的便携应用产品中。
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