【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)-軟件工程

碩 士 專 業(yè) 學(xué) 位 論 文 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) of 圖分類號： 學(xué)校代碼： 10055 密級： 公開 摘 要 I 摘 要 隨著我國在 高壓鋰離子蓄 電池組方面的科研技術(shù)水平和生產(chǎn)能力的不斷突破和提高， 高壓鋰離子蓄 電池組應(yīng)用越來越 廣泛 ， 目前 在 電動汽車、 飛艇 和 無人機等項 目 均有明確的需求。其中高壓鋰離子蓄 電池組 充電系統(tǒng)的性能對高壓鋰離子蓄 電池組 的性能起著關(guān)鍵性的作用 。 本論文主要對高壓鋰離子蓄 電池組 充電系統(tǒng)進行研究，首先對高壓鋰離子蓄電池組充電系統(tǒng)的研制背景進行了介紹；其次通過對高壓鋰離子蓄電池組充電系統(tǒng)的需求分析，將其功能劃分為六個功能模塊：充放電模塊、上位機模塊、電芯電壓測量及均衡模塊、充電模塊、放電模塊和供電邏輯控制模塊；第三對高壓鋰離子蓄電池組充電系統(tǒng)進行了詳細(xì)的設(shè)計；最后完成充電系統(tǒng)的樣機，利用樣機對高壓鋰離子蓄電池組進行充電試驗和維護試驗，使充電系統(tǒng)的各項指標(biāo)和 性能均達到設(shè)計提出的要求。 本課題 從根本 上 解決了現(xiàn)有 高壓鋰離子蓄 電池組 充電 系統(tǒng)中存在 的 不具備智能均衡充電及控制、實時顯示各種性能參數(shù) 、數(shù)據(jù) 存儲及上傳 等技術(shù)難題，完全能夠滿足 高壓鋰離子蓄 電池組高性能循環(huán)壽命的需求，提升了我國 鋰離子蓄 電池 組充電系統(tǒng) 的技術(shù)水平。 該 套充電系統(tǒng) 研制成功后， 其相關(guān)技術(shù) 將在航天通信衛(wèi)星、 飛艇、無人機、水下設(shè)備 、野外裝備、標(biāo)準(zhǔn)化實驗室等方面 得到 廣泛和潛在的應(yīng)用。 關(guān)鍵字 ：高壓鋰離子蓄電池組，充電，均衡，控制，設(shè)計，實現(xiàn) I of of of is in of is to of In on of on is by on of is a is a is a is by of of of of be in 錄 錄 第一章 緒論 . 1 第一節(jié) 鋰離子電池一致性對串聯(lián)電池組特性的影響 . 1 第二節(jié) 鋰離子電池組充電的電路模型 . 2 第三節(jié) 串聯(lián)電池組的充電策略 . 4 流充電 . 5 壓充電 . 5 第四節(jié) 鋰離子電池組均衡策略 . 5 量消耗型均衡 . 6 損耗型電池均衡 . 7 第五節(jié) 本論文的主要內(nèi)容 . 11 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 . 13 第一節(jié) 需求來源 . 13 第二節(jié) 功能性需求 . 13 第三節(jié) 非功能性需求 . 14 第四節(jié) 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的功能模塊劃分 . 14 放電控制模塊 . 15 位機模塊 . 19 芯電壓測量及均衡模塊 . 22 電模 塊 . 23 電模塊 . 24 電邏輯控制模塊 . 25 第三章 高壓鋰離子蓄電池組充電系統(tǒng)的設(shè)計 . 26 第一節(jié) 總體設(shè)計 . 26 第二節(jié) 供電邏輯控制模塊 . 27 目 錄 三節(jié) 上位機模塊 . 28 件選型 . 28 件開發(fā)環(huán)境 - . 28 件結(jié)構(gòu)與流程圖 . 30 作界面 . 31 機界面程序代碼 . 37 第四節(jié) 充放電控制模塊 . 39 件 . 39 放電控制模塊軟件開發(fā)環(huán)境 . 42 放電控制模塊的軟件流程圖 . 44 制模塊程序代碼 . 47 第五節(jié) 充電模塊 . 50 第六節(jié) 放電模塊 . 50 第七節(jié) 電芯電壓測量及均 衡模塊 . 52 芯電壓檢測電路 . 52 芯均衡電路 . 56 芯均衡控制策略 . 57 第四章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的試驗 . 59 第一節(jié) 樣機 . 59 壓電池組充電系統(tǒng)的外型 . 59 電系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)測試情況 . 61 第二節(jié) 充電系統(tǒng)與電池組的聯(lián)調(diào)試驗 . 61 位機模塊的操作界面 . 61 護參數(shù) . 63 第五章 總結(jié)與展望 . 65 第一節(jié) 主要工作 . 65 第二節(jié) 展望 . 65 目 錄 V 參考文獻 . 67 致謝 . 69 個人簡歷 在學(xué)期間發(fā)表的 學(xué)術(shù)論文與研究成果 . 70 第一章 緒論 1 第一章 緒論 第一節(jié) 鋰離子電池 一致性對串聯(lián)電池組特性的影響 鋰離子電池作為一種新型環(huán)保電池 ,具有體積小、重量輕、比能量高 、 倍率放電 特性好 的特點 ，非常適合用于動力電池。盡管鋰離子電池的電壓相對鉛酸電池和鎳氫電池要高，但對于動力設(shè)備而言，單只鋰離子電池的電壓太低，需要多只鋰離子電池串聯(lián)才能達到動力設(shè)備的額定 電壓。 1因 此， 在各種 鋰離子電池的應(yīng)用場合中， 為了得到較高的 直流 電壓，或者在控制 鋰離子 電池 組 工作電流大小的前提下 為了得到較大的功率， 普遍采用 將 鋰離子 電池串聯(lián) 的方式 以滿足使用要求。 對于串聯(lián) 使用的鋰離子 電池組，尤其是高電壓 鋰離子 電池組，各個 串聯(lián)電芯 之間的一致性成為 恒量鋰離子 電池組 容量 的關(guān)鍵 因素 。 無論是充電還是放電，盡管各個串聯(lián)電芯之間的 電流 相同 ， 但是 由于 各個串聯(lián)電芯之間存在的 不一致性，連續(xù)的充放電循環(huán)導(dǎo)致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減。 2而串聯(lián)電池組的容量由最小單體電池的容量決定，因此，這些差異將使串聯(lián)電池組的使用壽命縮短。 3造成這種不一致的原因主要有： 1） 在加工制造過程中的材質(zhì)不均和使用過程中電芯 溫度、壽命等存在差異，電芯之 間必然存在內(nèi)阻、端電壓、容量等參數(shù)的不一致性； 2）電池 組 在 裝配 過程或使用過程中，由于電池溫度或通風(fēng)條件的差別，增加了 電芯之 間已經(jīng)存在的不一致性； 3）電池 組 使用過程中，由于存在不同程度的過充電或過放 電的影響，使得電芯 在使用過程中出現(xiàn)電池性能參數(shù)的不一致性加劇。 電芯 間存在 的差異 呈現(xiàn)分散性。電池組 內(nèi)部電芯 的分散性是影響電池組性能的一個重要因素。 電芯的 分散性會大大降低了電池組的使用水平。 4 圖 示是經(jīng)過大約 20 次充放電歷史的 流的 恒壓 階段充電策略充電結(jié)束后 電芯 電壓分散情況。電池組充電到大約 346V 就結(jié)束了， 各個電芯之間 的開路電壓 存在 較大的差別，最大 電芯電壓和最小 電芯 電壓相差將近 該種情況下，鋰離子電池組放出 75時，就已經(jīng)出現(xiàn) 80 號 電芯 電壓過低的情況（注意，并不是充電結(jié)束后開路第一章 緒論 2 電壓最低的電池）。此 時雖然大部分電芯 仍然能夠放出一定的容 量，但是從電池 組 的安全使用和運行考慮 ，必須認(rèn)為此時鋰離子動力電池組已經(jīng)不能繼續(xù)放電了。由于電池組內(nèi) 電芯 不一致性 的 存在，標(biāo)稱 80鋰離子 電池組只能放出75容 量，電池組性能受到影 響。 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81電壓（ V ）電池號圖 離子 電池組 內(nèi)部電芯 電壓分散情況圖 如果在使用過程中不能抵消 電芯 間的電壓差異，對于高壓電池組，其循環(huán)壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 電芯 的循環(huán)壽命 。 5 第二節(jié) 鋰離子電池 組充電的電路模型 鋰離子電池 組在充電或者放電過程中，短時間內(nèi)可將電芯 的穩(wěn)態(tài)模型 等效為 一個電壓源 內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻 電池組通過串聯(lián)后，具有圖 示的等效模型。 利用戴維南定律，該電池組模型仍然可以化簡成一個電壓源模型，其中： ni （ ni 從電池組的簡化模型來看，鋰離子電池組和 單體 電池間具有類似的電壓、第一章 緒論 3 電流、溫度等外特性。 對于鋰離子電池組，如果從充電 設(shè)備 和電池組的連接形式來分，主要有并聯(lián)充電 和 串聯(lián)充電兩種基本充電 模式 （圖 n -R n - 1離子電池組簡化電壓源模型 充電設(shè)備圖 離子電池組并聯(lián)充電拓?fù)?圖 充電設(shè)備離子電池組串聯(lián)充電拓?fù)鋱D 第一章 緒論 4 并聯(lián)充電針對性好，能夠?qū)Σ煌?電芯 分別采取不同的充電控制策略，只要 合理控制電芯的 充電，就能有效的延長電池組的使用壽命。但是并聯(lián)充電的缺點也是十分明顯的：充電 回路 多，充電設(shè)備 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜。 例如，對于 額定 電壓為 400V 鋰離子 電池組，需要 110 只 電芯 串聯(lián)，如采用并聯(lián) 充電模式 ， 則需要 110個 獨立的 充電回路 ，導(dǎo)致整個充電設(shè)備體積增大、成本增加，不適合充電設(shè)備的長遠(yuǎn)發(fā)展需要，因此目前很少采用這種充電 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖 聯(lián)充電的模型，采用電壓 源或者電流源對整個鋰離子電池組進行充電。這種充電模式的優(yōu)點是充電線路簡單，缺點是不能精確控制串聯(lián)電芯的電壓 。 第三節(jié) 串聯(lián)電池組的充電策略 近年來，對鋰離子 蓄 電池組充電的研究主要側(cè)重于分析恒流（ 電和脈沖充電不同制式對鋰離子電池性能的影響 6，旨在提高充電效率，提高電網(wǎng)能源利用效率，延緩電池使用壽命。盡管脈沖充電、優(yōu)化的非線性衰減充電電流可以提高充電效率 7，縮短充電時間，但控制復(fù)雜，成熟度不高，因此，在工程上仍采用恒流 恒流 電結(jié)束圖 流 第一章 緒論 5 流充電 在充電過程中，充電電流 電電壓 離子電池反電動勢 E 和充電回路總電阻（主要是電池電阻） R 之間具有以下關(guān)系： R （ 由于回路電阻 R 短時間內(nèi)可認(rèn)為保持不變，電池反電動勢 E 變化緩慢，因而，在某一時刻，改變充電電壓 就改變了充電電流 在恒流 充電 的 初始階段 ， 鋰離子電池組的電壓 E 較小， 充電設(shè)備的輸出 電壓不需要很高電流就能達到穩(wěn)定值。隨著充電 過程 的繼續(xù)， 電池組的電壓 E 不斷升高， 充電設(shè)備的輸出 電壓也需不斷升高。當(dāng) 電池組電壓 E 升至恒壓充電電壓 ， 充電 設(shè)備 自動換入恒壓充電階段 。 壓充電 對于鋰離子蓄電池組， 以恒流方式充電到限壓點時，只能充進 額定容量的80%左右，還需要 利 用恒壓充電 對鋰離子電池組 進行補充充電， 電池組的 最高充電截止電壓值 為： （ 式中 ： n鋰離子 電池 組 的 串聯(lián) 電芯數(shù)量 電芯的 充電上限電壓 在恒壓充電階段，充電設(shè)備的輸出電壓保持不變，隨著電池組電壓 E 的逐漸升高，充電 電流逐漸減低。當(dāng)充電電流小于 ，電池 組 已基本充滿，充電終止。 第四節(jié) 鋰離子電池組均衡策略 為了保持鋰離子電池組的容量，需要對電池組內(nèi)部串聯(lián)電芯進行均衡，均衡的目的是使串聯(lián)電芯之間的差異保持在允許的范圍內(nèi)?？紤]到鋰離子電池在成組之前均進行了配組篩選，對于電 池組內(nèi)部的串聯(lián)電芯，其特性的差異主要體現(xiàn)在電芯的電壓差異，因此，目前鋰離子電池組的均衡策略主要以電芯的電第一章 緒論 6 壓是否均衡（相同）來作為整個電池組均衡度的判斷依據(jù)。 解決串聯(lián) 電芯 之間均衡 的 最簡單的方式是采取鉛酸蓄電池 組 的均衡方式，通過提高 充電設(shè)備的輸出電壓 使每個串聯(lián)的 電芯保持一致 。由于鋰 離子 電池不適宜過充，因此通過提高 充電設(shè)備輸出 電壓 的方式 不適用于 鋰離子 電池 。 8 量消耗型均衡 能量消耗型均衡 的基本思想 是 在 充電過程中， 通過并聯(lián)的電阻將多余的能量從 電壓最高的 電芯 中 旁路 消耗掉 （圖 。 9 32 2 路 電阻均衡 在圖 ， 當(dāng) 控制電路 檢測到 串聯(lián)電芯之間的電壓差異超過允許值時，電壓最高的電芯的旁路開關(guān)閉合，旁路電阻接入，分流一部分電流。在電池組充電電流不變的情況下， 電壓 最 高的 電芯的充電電流最小，其電壓上升速度最慢 ，與其它電芯的電壓差異逐漸減小。通過控制電路不斷地篩選出最高電壓的電芯并對其進行旁路， 整個串聯(lián)電池組內(nèi)的 電芯電壓趨向一致。由于 旁路電阻分流的能量變成了熱量損耗，所以這種均衡模式 的效率很低。但是其簡單性卻 是其他 均衡 模式 所不能比擬的。 在實際應(yīng)用中，旁路電阻通過的電流一般取 此 ， 能量 消耗型均衡模式 適用于 小容量串聯(lián)電池 組 ， 例如電動自行車的 8池組，均衡電流一般取 50路電阻的消耗功率約 第一章 緒論 7 損耗型電池均衡 對于大容量 鋰離子 電池組， 充電電流較大（一般取 如仍采用能量消耗型均衡模式，需要采用功率更大的旁路電阻以承擔(dān)高達數(shù)瓦的耗散功率，還要解決均衡電路的散熱問題，從而增加鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。因此在大容量鋰離子電池組中，不適合采用能量消耗型均衡模式，而應(yīng)采用 非損耗型均衡 模式 。 用 隔離 變換器 的 非能耗型 均衡 圖 示 的 是一個使用反激 變換器 的 均衡電路 。 當(dāng)其中任何一個 電芯的 電壓超過預(yù)設(shè)值時， 控制電路使該電芯對應(yīng)的動工作，對電芯的充電電流進行分流，分流的能量通過反激變換器回饋到整個電池組的充電回路中，當(dāng)電芯電壓降低到允許值時，控制電路使止工作。 圖 用反激式 變換 器的均衡 方法 圖 示的均衡方法只能實現(xiàn)能量從 電芯 單向傳輸 到整組電池 （對電芯放電） ， 控制對象為電壓最高的電芯。 圖 示的 均衡方法 既 能實現(xiàn)能量從電芯傳輸?shù)?電池 組 （對電芯放電） ， 也能實現(xiàn)能量從 電池組 傳輸?shù)诫娦荆▽﹄娦境潆姡?，控制對象為電壓最高和電壓最低的電芯，在充電時，可以同時啟動對最高電壓電芯（放電）和最低電壓電芯（充電）的均衡，其均衡的效率較圖 示的均衡方式大大提高。 此外圖 示的均衡方法既 可以在充電時對電芯進行均衡，也可以在 放電2 2 *2 緒論 8 時 對電芯進行均衡。放電 時， 可以將整個電池組的能量傳輸給電壓最低的電芯，使電池組內(nèi)的電芯電壓保持一致，從而增加 電池組的容量利用率。 圖 用 雙向 反激式變流器的 均 衡 用集中式變換器 的電池均衡 在圖 圖 示的 均衡 模式 中，每個 電芯 都有一個獨立的 變換器 ， 因此，整個均衡電路使用的變壓器、功率半導(dǎo)體器件 和其他電路元件的數(shù)量 較多，占用的空間較大 。為了減少 均衡電路的尺寸 ，可以使用具有多繞組變壓器的 變換 器，如圖 示。 圖 用集中式反激變流器的均衡 2 22 *緒論 9 多繞組變壓器的 初級線圈通過 聯(lián)在電池組的兩端，次級 繞組 通過 二極管整流后 與 電芯并聯(lián) ， 次級 繞組 的數(shù)量與 串聯(lián) 的 電芯 數(shù)目相同。在 圖 換器將 電池組的能量傳 輸 到 電壓最低的電芯 中，保持 電芯之間的電壓一致性 。如果 控制電路 檢測到有 低電壓 電芯 的存在， 則啟動均衡，變壓器初級繞組的 作在高頻開關(guān)狀態(tài)。當(dāng) 通時，電池組通過 初級繞組充電，能量存儲在初級繞組中； 當(dāng) 斷后， 存儲在初級繞組中的 能量 耦合到次級繞組，經(jīng)整流后傳輸?shù)?電壓較低的 電芯 中。理想情況下，存儲 在初級繞組中 的能量將會自動分配，大部分的能量將 傳入電壓 最低的 電芯 中。 *用集中式雙管正激變流器的均衡方法 使用多繞組變壓 器 對 電芯 進行均衡 的另一個例子就是圖 示的雙管正第一章 緒論 10 激 變換 器。 變壓器初級繞組通過兩個串聯(lián)的 聯(lián)在電池組兩端（可以采用低電壓的 次級繞組通過二極管整流后并聯(lián)在電芯兩端。示的反激變換器不同，圖 示的正極變換器初級繞組和初級繞組的方向相同。 當(dāng) 控制電路 檢測到 低電壓 的 電芯 時， 啟動均衡，變壓器初級繞組的作在高頻開關(guān)狀態(tài)。當(dāng) 通時，變壓器初級繞組和次級繞組的電壓方向相同，次級繞組的二極管導(dǎo)通，電池組的能量通過變壓器耦合到次級繞組，對電芯充電；當(dāng)初級 繞組的 斷時， 變壓器通過初級繞組的二極管復(fù)位。 采用集中式 變換器 的均衡模式雖然比每個電池單元都使用 變換器的 開關(guān)數(shù)目少，控制簡單，但是由于變壓器的 次級 繞組很多，所以當(dāng) 串聯(lián)的電芯 數(shù)目較多時，變壓器的制作成本會很高，制造 工藝 復(fù)雜。 用無損型電流分流電路的電池均衡 無損型電流分流 均衡模式的工作原理是 將充電電流從已經(jīng)充滿的 電芯 中分流至下一 個電芯 ， 從而 將充滿的 電芯從充電回路中分離出去。這樣就能使余下的電芯 繼續(xù)充電達到滿充而已經(jīng)充滿的 電芯 不會發(fā)生過充。圖 一種無損型電流分流均衡的原理 圖。 每個 電芯 的兩端都接著分流模塊，每個分流模塊由一個可控開關(guān)（ 和 一個續(xù)流電感 L 所組成。為了使能量能夠回饋到 電池組兩端 ，最后一個 電芯 （電池組總負(fù)端） 使用了一個反激式的變壓器來傳遞能量。 正常情況下，分流模塊是不工作的。充電電流直接流過每個電芯，對所有電芯同時進行充電。 10如果其中一個電芯達到充電截止電壓，那么相應(yīng)的分流模塊就開始工作，將充電電流從該電芯分流。例如，當(dāng)?shù)?1 只電芯首先達到充電截止電壓，則 1 開通，電感 始蓄能，因此有： （ 當(dāng) 斷后，電感 儲存的能量通過二極管 移到第 2 只電芯當(dāng)中。通過分流模塊的平均電流等于充電電流 入第 1 只電芯的凈電流等于零，而其他電芯的充電電流仍然保持 一過程的波形圖如圖 示。 如果串聯(lián)電池組中的最后一只電芯達到充電截止電壓，那么開關(guān) 先開通，使能量就轉(zhuǎn)移到了電源（串聯(lián)電池組）端。反激變壓器的匝比 a 與 電芯 的個第一章 緒論 11 數(shù) N 相對應(yīng)，而二極管 承受的電壓 為 中 一個 電芯 的端電壓。 圖 用無損型電流分流電路的均衡方法 圖 損型電流分流器的波形 第五節(jié) 本論文的主要內(nèi)容 受客戶的委托，本人所在 單位 需要為 一款動力 鋰離子電池組研制一 套 充電2 緒論 12 系統(tǒng) ，電池組由 120 只 聚合物鋰離子 電芯串聯(lián)而成，電芯 容量 10電芯 充電電壓上限為 電電流為 5A，充電結(jié)束時，電芯之間的電壓誤差不超過 10此外， 充電設(shè)備還應(yīng)具有維護功能 ，在維護狀態(tài)下，按照充滿電擱置 1 小時 100%放電擱置 1 小時 充半電的程序?qū)﹄姵亟M進行維護 ，放電采用恒流放電，放電電流為 2A。 本論文 圍繞高壓 鋰離子蓄電池組 的 充電 設(shè)備 展開。本論文的工作屬于應(yīng)用技術(shù)研究，主要工作包括以下幾個方面： 1）對高壓鋰離子電池組的充電控制模式進行了研究，確定了本論文的充電控制模式； 2）對鋰離子電池組的均衡控制模式進行了研究，確定了本論文的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 3）根據(jù)電池組 充電和維護 的 要求，設(shè) 計了充電 系統(tǒng) 由 供電邏輯控制模塊 、充電 模塊 、放電 模塊 、 電芯電壓測量 及 均衡 模塊 、 充放電 控制 模塊 和 上位機 模塊 六部分組成。 4）對充電 系統(tǒng) 進 行 了 總體設(shè)計， 確定了各組成部分的主要功能， 對 充放電控制模塊 和 上位機 模塊 的 軟件進行了詳細(xì)設(shè)計 。 5）完成了充電 系統(tǒng) 的樣機，利用樣機對高壓 鋰離子蓄 電池組進行了充電試驗和維護試驗，充電 系統(tǒng) 的各項指標(biāo)和性能 均 達到了設(shè)計提出的要求。 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 13 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng) 的需求分析 第一節(jié) 需求來源 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng) 的 需要主要來源于客戶， 由客戶根據(jù)鋰離子 蓄 電池組 的特性和鋰離子 蓄 電池組的運行及維護規(guī)定等使用性要求提出，主要是設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、使用功能等；在此基礎(chǔ)上，本人所在單位根據(jù)充放電 系統(tǒng) 的行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、使用環(huán)境等條件對充放電 系統(tǒng) 的需求進行了補充，補充的內(nèi)容集中在環(huán)境條件、安全特性、防護等方面。 第二節(jié) 功能性需求 1） 該 系統(tǒng) 具有對鋰離子電池組進行充電、放電和維護的功能； 2） 應(yīng)實時顯示每個電芯電壓、溫度監(jiān)測點溫度、電池組電壓、充放電電流以及充放電設(shè)備運行狀態(tài)； 3） 具有自動存儲運行數(shù)據(jù)的功能，存儲數(shù)據(jù)包括時間、電芯電壓、溫度、充放電電流等，數(shù)據(jù)存儲的格式為 4）充電電流 5A，電流控制誤差 芯的充電截止電壓 電結(jié)束時 ，電芯之間的電壓差不超過 10 5）放 電電流 2A，電流控制誤差 電芯的 放電截止電壓 6）維護過程為 “ 充滿電擱置 1 小時 100%放電擱置 1 小時充半電 ” ，各個階段之間切換 ； 7） 具有狀態(tài)指示燈及蜂鳴報警裝置，當(dāng)電池組在不同狀態(tài)時進行指示，電池組發(fā)生故障進行相應(yīng)的聲光提示 ； 8）具有參數(shù)設(shè)置功能，便于操作員臨時修改 系統(tǒng) 的運行參數(shù)，參數(shù)設(shè)置應(yīng)具有授權(quán)密碼 ； 9）參數(shù)設(shè)置應(yīng)具有自動糾錯功能，防止操作員誤操作 ； 10）系統(tǒng) 交流輸入電壓為 220V 10%，頻率 50 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 14 第三節(jié) 非功能性需求 1） 該 系統(tǒng) 應(yīng)具有防倒灌功能，防止鋰離子 蓄 電池組對 系統(tǒng) 的反向充電 ； 2） 具有自檢功能，連接電池組后如發(fā)現(xiàn)電池組異常（過溫、過壓、欠壓等），應(yīng)自動報警，并封鎖充電、放電操作 ； 3）具有預(yù)警功能，在充電或者放電過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電芯電壓變化速率異常 時，系統(tǒng) 應(yīng)發(fā)出警示；當(dāng)溫度監(jiān)測點溫度變化速率 異常 時， 系統(tǒng) 應(yīng)發(fā)出警示 ； 4） 具有兩級過壓保護的功能，當(dāng)電芯電壓超過 ， 系統(tǒng) 應(yīng)立即停止充電，如電芯電壓持續(xù)上升至 ，系統(tǒng) 應(yīng)自動切斷充電回路 ； 5） 應(yīng)具有防塵措施，內(nèi)部線路板噴涂軍用三防漆 ； 6） 運行環(huán)境：溫度 +45，相對濕度 90%； 7） 具有接地螺釘，交流輸入對機殼、交流輸入對直流輸出可承受工頻 2驗電壓，漏電流小于 20 8） 內(nèi)部應(yīng) 有照明措施，充電接口采用航空連接器。 第 四節(jié) 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng) 的功能模塊劃分 根據(jù)充放電系統(tǒng) 的需求分析，可以將其功能劃分為六個功能模塊：充放電控制 模塊 、上位機 模塊 、電芯 電壓測量及 均衡 模塊 、充電 模塊 、放電 模塊 和供電邏輯控制 模塊 （圖 。 圖 統(tǒng)總體用例圖 供電邏輯 控制模塊 電芯電壓測量及均衡模塊 充電模塊 放電模塊 充放電控制模塊 操作員 上位機模塊 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 15 放電控制模塊 要功能 充放電控制 模塊 的主要 作用 是控制 電池組 充電 、 放電 和維護的過程。其主要功能如下： 1）數(shù)據(jù)傳輸 接收電芯均衡模塊上傳的電芯電壓以及溫度監(jiān)測點的溫度；接收上位機模塊下發(fā)的控制指令。 向上位機模塊上傳電芯電壓、溫度、電池組電流、電芯均衡狀態(tài)等信息；向電芯均衡模塊下發(fā) 電芯均衡的控制指令。 2）電池組電流測量 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實時檢測電池組充電電流。 3）充電和放電過程控制 對電芯電壓數(shù)據(jù)進行分析，控制充放電過程，調(diào)整充電電流和放電電流，控制電芯均衡的啟動與停止。 4）告警及保護控制 異常情況下啟動蜂鳴器告警，當(dāng)檢測到電芯電壓超過保護值時，切斷充電模塊的交流供電線路 。 放電控制模塊的接口 根據(jù)充放電控制模塊的功能，其對外接口如下： 1）通信接口 充放電控制模塊需要與上位機模塊和電芯均衡模塊進行通信。電芯均衡模塊與充放電控制模塊之間的通信具有通信速率高、傳送數(shù)據(jù)量不大的特點，因此采用 分布式現(xiàn)場總新 口。充放電控制模塊與上位機 模塊 之間的通信接口采用 工業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的 行接口和 行接口 。 2）模擬量輸入接口 模擬量輸入接口用于檢測鋰離子 蓄 電池組的充電電流 和放電電流 ，電流測量采用電流型霍爾傳感器，因此測量接口內(nèi)部需要匹配電阻。 3）模擬量輸出接口 模擬量輸出接口用于給定充電電流和放電電流的基準(zhǔn)，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號 ，電壓范圍 0 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 16 在充電過程中，充電電流的基準(zhǔn)應(yīng)能動態(tài)調(diào)節(jié)，以滿足階梯降低充電 的要求。同時，要求充電電流基準(zhǔn)具有較高的控制精度（小于 1%）。 4）開關(guān)量輸出接口 開關(guān)量輸出接口用于控制外部告警蜂鳴器、充電模塊的交流供電、充電模塊的啟停以及放電模塊的啟停。為提高抗干擾能力和電氣隔離電壓，開關(guān)量輸出接口采用繼電器常開觸點的形式。 電控制模式 根據(jù)客戶對充放電 系統(tǒng) 的技術(shù)要求，充電結(jié)束時電芯之間的電壓差不 超過10對于高壓 鋰離子蓄 電池組，串聯(lián)充電 具有電路結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單的優(yōu)點，但 由于鋰離子電池之間固有的差異，使得單體電池之間存在一定的電壓差，在恒壓充電階段，盡管充電電壓沒有超過電池組的電壓上限， 但 仍會有部分單體電池超過充電電壓上限，另一部分單體電池低于充電電壓上限。 11這種情況不但會降低整組電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致單體電池嚴(yán)重過充，從而引發(fā)安全事故。 為解決 串聯(lián) 充電模式 固有 的缺陷， 在 引入了 電池管理系統(tǒng)（ 后，目前有以下兩種充電控制模式： 1） 階梯恒流充電模式 圖 階梯恒流充電模式 的工作過程：啟動充電后，充電 系統(tǒng) 按照額定的恒定電流對電池組進行充電，單體電池的電壓逐漸上升，當(dāng) 測到有單體電池電壓達到充電截止電壓時，充電設(shè)備隨即將充電電流降低一定的幅度，繼續(xù)維持對電池組的恒流充電。充電電流的幅值降低后，單體電池的電壓也將降低一定的幅度（與電流的幅度有關(guān)）。 12隨著充電時間的增加，單體電池的電壓再次達到充電截止電壓，充電設(shè)備繼續(xù)將充電電流降低一定幅度，維持對電池組的恒流充電。隨著充電的進行，充電 系統(tǒng) 不斷重復(fù)上述過程，直至充電電流小于截止電流，充電結(jié)束。 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 17 圖 梯恒流充電 模式 階梯恒流充電模式避免了高壓電池組中單體電池的過充問題，提高了高壓電池組的安全性。由于不具備單體電池的均衡功能，因此，階梯恒流充電模式無法消除或者降低高壓電池組內(nèi)部的電壓一致性問題。在長期使用過程中，單體電池之間的電壓差仍會加大，從而造成整組蓄電池容量的降低。 2） 恒壓限流充電 +均衡 充電 模式 圖 串聯(lián)充電 +并聯(lián)充電模式的工作過程，整個過程分為串聯(lián)充電和并聯(lián)充電兩個階段，每個階段中又分為恒壓充電和恒流充電。 13 在串聯(lián)充電階段，首先對整組電池進行恒流充電，在恒流充電過程中，電池組的電流保持不變， 電壓逐漸上升， 時檢測單體電池的電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有單體電池的電壓達到充電截止電壓時，充電設(shè)備以當(dāng)前的電池組電壓作為恒壓整定值，由恒流充電轉(zhuǎn)入恒壓充電。在恒壓充電過程中，電池組的電壓保持不變，充電電流逐漸降低，當(dāng)充電電流下降串聯(lián)充電截止電流時，串聯(lián)充電結(jié)束，自動轉(zhuǎn)入并聯(lián)充電階段。 并聯(lián)充電采取恒壓限流的控制模式，其恒流值一般取串聯(lián)充電截止電流，恒壓值為單體電池的充電截止電壓。當(dāng)所有單體電池的電壓均達到充電截止電壓、且并充電流小于并充截止電流時充電結(jié)束。 與階梯恒流充電模式相比，串聯(lián)充電 +并聯(lián)充電模式既可防止 單體電池的過充，又可以抵消單體電池之間的電壓差異，可以幫助提高整組電池的循環(huán)壽命和容量。但是充電設(shè)備過于復(fù)雜，相當(dāng)于每個單體電池都有一個獨立的充電電路。 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 18 圖 壓限流充電 +并聯(lián)充電法 3） 本論文確定充電控制模式 在 串聯(lián)充電 +并聯(lián)充電模式中 ，并聯(lián)均衡充電和串聯(lián)充電是兩個獨立的過程，當(dāng)電池組中各個單體電池之間的差異較大時，將造成并聯(lián)均衡時間過長，從而使整組電池的充電效率較低。 14 為提高整組電池的充電效率，同時保證充電結(jié)束時各個單體電池的電壓一致性，可以將 本小節(jié)中的 1）和 2）兩個 方案整合為“串聯(lián)階 梯恒流充電 +并聯(lián)均衡充電法 ”，其控制過程如下： 首先按照額定的充電電流對整組蓄電池進行串聯(lián)充電，在充電過程中， 要有一只單體電池達到充電截止電壓時，充電設(shè)備以 10%恒流充電電流設(shè)定值）的步長降低充電電流，同時 動對低電壓（低于單體電池電壓平均值）單體電池的均衡充電；當(dāng) 次檢測到有單體電池達到充電截止電壓時，再次將充電電流降低 10%至充電電流降低至 0。在階梯降低充電電流的過程中， 終保持對低電壓單體電池進行均衡充電，當(dāng)所有單體電池的電壓均 達到充電截止電壓且串聯(lián)充電電流小于串充截止電流時，充電結(jié)束（圖 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 19 圖 梯恒流充電 +并聯(lián)均衡充電法 位機模塊 位機模塊的主要功能 上位機模塊的主要 功能 是參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、 操作按鈕、數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)存儲 、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和告警 （圖 。 1）參數(shù)設(shè)置 電池組充電電流和放電電流； 電芯充電截止電壓和放電截止電壓； 允許充電時間和允許放電時間； 充電電流和放電電流過流告警值； 電芯過壓告警值和欠壓告警值； 溫度告警值。 2）參數(shù)顯示 時鐘； 充電時間或放電時間； 設(shè)備 工作狀態(tài)（充電、放電、擱置）； 電池組電壓； 電池組充放電電流； 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 20 電池組充入 /放出容量； 圖 電芯編號和電芯電壓； 電芯均衡狀態(tài)； 最高電壓電芯編號及電壓； 最低電壓電芯編號及電壓； 平均電芯電壓； 最高溫度點及編號； 最低溫度點及編號； 電壓變化速率異常單體電池編號。 3） 操作按鈕 充電； 放電； 維護； 參數(shù)設(shè)置； 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 21 數(shù)據(jù)導(dǎo)出； 停止操作。 當(dāng)執(zhí)行上述按鈕時，上位機模塊應(yīng)通過通信接口控制底層模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作。 4）數(shù)據(jù)分析 對電芯電壓、溫度等數(shù)據(jù)進行分析，篩選最高電壓電芯和最低 電壓電芯，當(dāng)參數(shù)異常時，發(fā)出告警信息。 5） 數(shù)據(jù)存儲 上位機模塊應(yīng)儲存的信息如下： 時鐘； 充電時間或放電時間； 設(shè)備工作狀態(tài)（充電、放電、擱置）； 電池組電壓； 電池組充放電電流； 電池組充入 /放出容量； 電芯編號和電芯電壓； 電芯均衡狀態(tài)； 最高電壓電芯編號及電壓； 最低電壓電芯編號及電壓； 平均電芯電壓； 最高溫度點及編號； 最低溫度點及編號； 電壓變化速率異常單體電池編號。 存儲的時間間隔可使，設(shè)置范圍 30位機模塊至少應(yīng)存儲 10 次的充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)。 6）數(shù)據(jù)導(dǎo)出 可以通過 口 定期將數(shù)據(jù)拷貝。 7）告警 當(dāng)發(fā)生保護時，顯示屏?xí)棾龈婢藛?，并自動存儲告警?nèi)容。 位機模塊的接口 根據(jù)上位機模塊的主要功能，上位機模塊至少應(yīng)具有以下接口： 第二章 高壓鋰離子蓄電池組智能充電系統(tǒng)的需求分析 22 1）工業(yè)串行接口 ） 口 芯電壓測量及均衡模塊 電芯電壓測量及均衡模塊由電芯電壓測量電路和電芯均衡電路組成。 芯電壓測量電路 電芯電壓的測量精度是鋰離子電池組安全充電的基礎(chǔ)，只有保證單體電池電壓測量的精度，才能滿足鋰離子電池組在充電和放電過程中的安全性。對于 120串鋰離子 電池組，電芯電壓測量電路既要保證規(guī)定的測量誤差，還要克服電池組的共模電壓對測量電路的影響。 1）主要功能 實時檢測 120 只串聯(lián)電芯的電壓以及 12 個溫度監(jiān)測點的溫度，并通過通信口上傳； 根據(jù)電芯的電壓，控制電芯均衡電路的啟動與停止。 2）接口 通信接口：采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線 口與充放電控制模塊通信 ； 開關(guān)量控制接口： 120 只串聯(lián)電芯均衡的啟動與停止， 控制電平為 輯電平。 3） 技術(shù)指標(biāo) 電芯電壓測