霍克锂电池模块化的锂电池组管理系统

摘要：太阳能发电量逐年呈上升态势，风能发电量也是逐年升高，然而发电存在间歇性，还有不稳定性，并且有着外部的不确定因素，如此致使该类能源在并网的时候碰到阻碍。解决这个问题常常借助配备大型储能装置，先要平抑发电系统原本有的间歇波动，之后再进行逆变并网情况。大容量储能装置合理地运用能够有效地解决我国中西部某些经济发展欠发达地区显示出来的发电量不足的问题，极大程度上缓解了国家电网面临的压力，同时也为新能源的存储提供拥有了一个有效途径。目前，大容量储能装置大多是通过单节电池串并联之后组合形成的 。成组之后的电池，由于其本身所具有的固有差异，以及在使用进程中所形成的全部微小的变化，是会致使电池性能变得不一致的。 电池性能不均衡以及离散的情况，很容易让电池组失去均衡状态，要是不对此加以补偿管理的话，长久这样下去，必然就会在电池组投入使用的时候带来安全方面的问题。 所以呢，大型储能装置配备了电池管理系统，它能够补偿差异、达成均衡，从而为电池组的正常运行给予保障 。

关键词：模块化；锂电池组；管理系统；优化措施

中图分类号：TM912

文献标识码：A

引言

各类电子产品中，锂离子电池已被广泛应用，因受单体电池电压以及容量限制，常常要把单体电池串并联起来，组成电池组为各类装置供电，组合内单 体经过匹配测试，然而还是不能确保各个单体电池电压、内阻、容量完全相同，特别是使用一段时间后，单体之间性能差异会渐渐变大，于是电池管理系统应时而生，成为电池组标准配置，用来补偿或者减少电池组内单体不一致性，进而延长使用寿命。电池管理系统具备的功能有诸多，比如对电池组工作数据进行采集，还有均衡相关管理，以及展开SOC评估，另外实施实时监控管理等。电池组数据采集电路所呈现的特点是，要拥有抗干扰能力，具备较好的测量精度，同时拥有较快的采样速率。电池组均衡管理电路在整个系统里占据重点地位，需要尽力达成的是降低均衡时间，并且提高均衡效果。SOC评估的重点在于，存在精度符合要求的在线评估算法。实时监控的目的在于，监测电池组工作状态，阻止相应状况是出现过充过放以及过温等问题。

1系统设计

主要组成电池管理系统的，有着主控制器模块，还有主动均衡模块，以及采集模块，再者保护电路模块，另外显示模块 。

1.1采集模块

采集模块采用ADI公司的电池监测芯片LTC6803 - 1，该芯片内部设置了带有噪声滤波器的DS转换器，以及12位ADC，它最多能够同时针对12只串联的锂电池开展电压和温度采样工作，其采样周期为13ms，最大总测量误差不会超过0.25%，并且外围电路简易，抗干扰能力突出。

处于工作状态的电池组，借助集成芯片来开展电压采集，采集后的数据放置于采集芯片的寄存器里。最终呢，上位机去读取那相应的寄存器，再经由转换公式得出当前电池组各节电池的电压 。

要确保测量所得的数据不会遭受尖峰干扰，这就需要于芯片的每个测量口添加一个低通滤波器电路，与此同时，为避免电池反接从而对采集芯片造成损害，在每一块电池前面都要加入一个稳压二极管来实施保护，具体情况可见图1所示。毕竟LTC6803-1芯片是一种常常用于实现数模转换功能的芯片，它能够提供一个基本上是0.5ms转换窗口的平均值的转换结果，如此一来也就表明能够使用一个在500kHz频率下具备30dB衰减的低通滤波器。按照100W、0.1mF的参数开展设计，能够构成一个16kHz低通滤波器，并给出30dB的噪声抑制 。

图1低通滤波器电路与稳压二极管

1.2隔离通信

LTC6803的供电电压是5V ，然而主控制芯片的供电电压是3.3V 。为让MCU正常工作得到保护 ，在SPI通信的时候 ，要采用基于iCoupler磁耦隔离技术的通用型N通道数字隔离器去隔离通信芯片ADUM1411 。和光电耦合器有着不稳定电流传输率 、非线性传输问题相比 ，磁耦隔离在寄存器通信时能够达成可靠 、高速率的传输 。

1.3保护电路模块

将采集而获取到的电池组的总电压，与一开始就设定好的一个基准电压去进行比较，要是总电压比基准电压小，就会朝着主控制器传递一个信号，该探测器会执行电池组的关断操作，防止电池组因为过放而引发安全事端。

同样的道理，把检测所获得的电流拿来和阈值开展比较，要是电流过大，主控制器就会针对电池组实施关断操作。借助模拟信号能够更为快速地实时响应当前电池组电流过大或者电压不足的情形。基准电压能够凭借改变电阻予以调整，其实际大小是依据当前工作的电池组数量来确定的。

2下位机硬件设计

2.1温度监测电路设计

在电池工作进程里，温度监测的目的在于监测系统的温度，避免温度过高给电池带来危害，进而引发其他危险。且，电池放电期间所释放的热量倘若过大的话，就会致使LTC6803芯片温度升高，一旦芯片温度大于105℃，芯片就会损坏。所以，一定要对电池以及芯片的温度予以测量，当温度过高时开启外置风扇来散热，以此防止电池和芯片损坏。

2.2继电器控制电路设计

管理系统里，为避免电池出现过充以及过放情况，充电之际，于检测到某节电池电压高于4.2V之时，需即刻断开充电回路，放电之时，当某节电池电压低于3.0V之时，要断开放电回路，终止放电。这迫切要求以三极管当作开关，借由控制继电器线圈是否接入电源，进而控制充电与放电回路的接通以及关断。

3下位机软件设计

3.1电压与温度测量程序设计

电压测量依循LTC6803电池监测IC的电压监测功能编成，主机STM32发出测量命令代码至LTC6803依据所接收的具体命令，达成电压测量与数据回传根据不同的命令代码跟PEC字节编写不同的命令代码子程序，进行至电压监测在过程里分别调用所需子程序以完成整个测量过程 。

3.2SOC评估算法设计

SOC评估算法，乃是整个软件系统里最为核心的一个部分，SOC评估算法流程见于图6。在电池信息检测进程当中，传感器采集到的数据会存有一些噪声，这给检测造成一定的误差，所以在电压检测之后，运用扩展卡尔曼算法来进行滤波，如此便能得到更为准确的电压值。于本设计而言，采取把SOC与每毫伏工作电压的对应关系制作成超大型数组，借助查表法将测得的电压转化成SOC，如此一来既提升了准确性又提升了实时性。

4动力锂电池回收工艺

4.1干法回收

干法回收是一种不借助溶液等介质，直接就对有价金属展开回收的方式，其主要运用的方法存在物理分选法以及高温热解法。物理分选法是针对电池进行分离拆卸，借助物理手段针对拆分下来的电极活性物质，还有集流体以及电池外壳等这些电池组分，历经破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎以及分类这一系列的操作，就此把高价值金属材料和其他物质给予分离。即便操作过程较为简便，然而却无法完全实现对锂电池的组分分离，并且在物理操作进程中，很难对电池里的金属材料实施有效回收。高温热解法，是把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，去除有机粘合剂，以此来分离锂电池的组成材料。此方法操作工艺并不复杂，在高温条件下反应速度较快，效率相对较高，能除去残留的粘合剂，适用于处理大量或结构较复杂嘅电池。然而，在处理过程中容易产生有害气体，进而产生二次污染。所以，还要对产生嘅有害物质进行防治，处理成本也就更高。 。

4.2湿法回收

一种被称作湿法回收工艺的方法，是借助酸碱溶液来达成对废旧锂电池内含有的金属离子予以溶解这个操作，而后进一步运用沉淀、吸附等方式手段，去针对溶液里的离子展开再次提取的行为，最终让其以氧化物、盐等形态形式实现进行分离。尽管该过程相对较为复杂精细入微，然而回收所获得的产品有着较高的纯度质量，所以湿法回收工艺在当下废旧锂电池回收工艺之中属于首选，正逐步渐渐成为被专业化处理的占主流地位的技术手段方式。湿法回收主要有三个阶段，首先，要针对废旧锂电池开展放电处理、拆分破碎这类物理操作，经过挑选后获取主要电极材料；其次，要预处理达成的电极材料去做溶解浸出，致使其中的金属及其化合物以离子形态进到浸出溶剂里；最后，要对浸出溶液当中的金属离子予以分离回收，这一步是湿法工艺回收处理废旧电池的关键之处，也是当前研究的难点以及热点。

结论

以对相关电池管理系统研究工作予以总结为准，提出了一种呈现模块化特征的电池管理系统，达成了针对于该电池组所有电压、电流等参数的精准采集，达成了主动均衡。经由相应实验得出明显结果，采集模块所有最大误差不会超过10mV，符合针对3.7V电压所设定的0.25%精度误差的要求。能够对电池组范围内那些电压存在不一致情况的各异电池展开有效均衡操作的事物，正是主动均衡模块 。