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在鋰離子電池管理系統(tǒng)中,有哪些常用的SOC計算方法你知道嗎?

鉅大LARGE  |  點擊量:5651次  |  2019年11月21日  

1.2.2電流采樣電路


電流采樣時,電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時,用康銅絲對電流信號進(jìn)行檢測,將檢測到的電壓信號經(jīng)過差模放大器的放大,變?yōu)?~5V的電壓信號送至單片機(jī)。如果放電的電流過大,單片機(jī)檢測到的電壓信號比較大,就會驅(qū)動三極管動作,改變MOS管柵極電壓,關(guān)斷放電的回路。比如,對于36V的錳酸鋰電池來說,設(shè)定其保護(hù)電流是60A。康銅絲的電阻是5mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60A時,康銅絲的電壓達(dá)300mV左右。為提高精度,將電壓通過放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測。


1.2.3溫度檢測


電池組在充、放電過程中,一部分能量以熱量形式被釋放出來,這部分熱量不及時排除會引起電池組過熱。如果單個鎳氫電池溫度超過55℃,電池特性就會變質(zhì),電池組充、放電平衡就會被打破,繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生,需要對電池組溫度進(jìn)行實時監(jiān)測并進(jìn)行散熱處理。


采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器,其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來表示:


1.3均衡模塊


電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中,需要較多的I/O口驅(qū)動開關(guān)管,而單片機(jī)的I/O口有限,所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開關(guān),Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開關(guān)。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例,變壓器主線圈兩端電壓為42V,副線圈電壓為電池的額定電壓4.2V。剛開始Q4導(dǎo)通,Q2、Q3、Q5截止,單節(jié)電池的電壓不斷升高,當(dāng)檢測到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓4.2V以后,電壓檢測芯片發(fā)出驅(qū)動信號,關(guān)閉Q4,打開Q2、Q3、Q5,整個系統(tǒng)進(jìn)入單充階段,未充滿的電池繼續(xù)充電,以達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測試,電壓差值不會超過50mV。


2SOC電量檢測


鋰離子電池管理系統(tǒng)中,常用的SOC計算方法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法[3]。


(1)開路電壓法是最簡單的測量方法,主要根據(jù)電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知,電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。


(2)庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流,將電流值與時間值的乘積進(jìn)行積分后計算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量,并以此來估計SOC的值。


(3)阻抗測量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系,通過測出電池的電壓、電流參數(shù)計算出電池的內(nèi)阻,從而得到SOC的估計值。


(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過設(shè)置一個相關(guān)表,輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。


在本設(shè)計中,從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮,采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法,采用庫倫計算法比較合適。


(1)用C表示鋰電池組從42V降到32V時放出的總的電量。


(2)用η表示電流i經(jīng)過時間t后,放出的電量與C的比值。


其中CRM為剩余電量。令ΔCi=i×Δt,表示?駐t時間內(nèi)電池組以i放電的放電量;或者是以i充電的充電量,剩余電量實際上是對ΔCi的計算以及累加。設(shè)定合適的采樣時間Δt,測定當(dāng)前的電流值,然后計算乘積,得到Δt時間內(nèi)剩余容量CRM的變化量,從而不斷更新CRM的值,即可實現(xiàn)SOC電量的檢測。


3試驗結(jié)果


通過電池管理系統(tǒng)對錳酸鋰電池組進(jìn)行充放電測試。圖4(a)為鋰電池組放電測試圖,放電電流為8A,當(dāng)電池組電壓降至32V時,放電MOS管關(guān)斷。圖4(b)為充電的測試圖。充電結(jié)束4小時后,均衡完成。


本文的電池管理系統(tǒng)以M68HC08GZ16為核心,實現(xiàn)了對電池組單體電壓、電流、溫度信號的采集。充電電量平衡以后,單體電池的電壓差值不超過50mV。整體系統(tǒng)運行性能良好,能夠滿足電動車動力電池組應(yīng)用需要。


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