电动自行车新型锂电池管理系统的设计

刘毅等

摘 要：近年来，我国的雾霾天气越发严重，而雾霾的罪魁祸首之一就是汽车燃油尾气，研究和发展太阳能、风能等新型清洁能源成为汽车工业的必然趋势。电动自行车电池的安全性、耐用性一直是制约电动车发展的一个关键因素，而电池的关键在于其。本文从电动自行车锂电池管理的均衡、保护及SOC估算等方面进行研究，并通过软硬件设计实现了一个简化的新型锂电池管理系统。

关键词：锂离子；电池管理系统；电动自行车

引言

早期的电动自行车受成本限制大多采用铅酸电池，该类电池存在能量密度比低、循环寿命短的致命缺点。相对而言，锂离子电池轻便高效逐渐成为车用电池的市场主流，但锂离子电池也存在三大问题：安全问题（对使用环境的要求高），单体电池离散性大的问题（一致性差），以及如何合理使用的问题（锂离子电池的使用寿命直接受使用方式的影响）。本文将从上述问题出发，对电动自行车锂离子电池管理系统进行研究设计，通过软硬件协同设计解决锂电池应用困难，发挥其能量密度优势，延长其使用寿命。

1 系统简介

本文设计的锂离子电池管理系统（Battery Management System），如图1所示，主要由电池组SOC估算模块和电池组均衡和保护模块两个部分组成，电动车中央管理系统通过I2C总线与这两个模块进行通信，电池组均衡和保护模块可以独立完成电池的故障保护和均衡功能，上层可以通过I2C总线读取相应的电池信息。电池组SOC估算模块实时监控电池组的信息，并供上层管理系统随时查阅。

2 锂电池保护及均衡设计

完善的BMS必须能够准备识别故障，将误判的概率降到最低，同时还要求它能够迅速的处理这些故障情况。本文BMS的保护功能包括电池的过压/欠压保护、电池组的过流和短路保护、以及电池的过温保护。保护功能的实时性和准确性是最重要的两大关键点。

BMS的均衡主要是针对单体电池离散性大的问题，当锂离子电池组在充放电的时候，因为其单体电池之间的离散性大，必然容易导致电池组中有的电池充电快，有的充电慢，也就是说，当有的电池充电还没充满的时候，有的电池已经要过充了，若不采取合适的措施来保证充电的一致性，将引发严重的安全事故，同样在放电时，如果没有均衡措施，当电池组中大部分电池仍然还一定的电量的时候，个别电池可能已经欠压了，这将严重损害电池的使用寿命。

电池管理系统从架构来说可以分为集中式和分布式管理两种类型，集中式的管理系统优点是系统集成度高，系统内部通信简单，便于集中管理，但对于中央控制系统的要求高。德州仪器公司的BQ77910可完成锂离子电池管理系统的保护和均衡功能的处理。本文经过分析研究后拟采用集中式管理架构并选择BQ77910为平台设计实现锂离子电池组保护和均衡的集成解决方案。该锂电子电池管理方案不仅具备集中式电池管理系统的优点，同时通过优化的设计大大地降低了系统对中央处理器的资源要求，还通过可编程的保护功能，以及可配置的硬件设计大大增加了灵活性和可伸缩性。该系统的主要特点是：支持4到10节锂离子电池串联；独立电池电压监控，对于电池组的过流和短路，电池的过压/欠压等故障的检测具有宽泛的可编程检测阈值与延迟时间；硬件直接检测和控制电池的充放电。基于BQ77910内部50mA电池电路可实现自动电池均衡。系统使用一个独立的比较器来检查电池是否达到均衡的阈值以确定是否启动均衡，然后找出超过阈值电压最高的电池进行放电，同一时刻只有一个电池在在放电。本系统电池均衡和保护电路如图2所示：

3 锂电池SOC估算设计

锂电池的寿命与使用方式有很大的关系，不恰当的使用方式会加速电池容量的衰减，同时对于电动自行车用户来说，实时准确地显示电量信息非常有必要，所以，对SOC（State of Charge剩余电量）的准确估算就显得尤为重要。本文选择TI公司的BQ34Z100来进行电池组的SOC估算。本文通过测量电池的电压，电流和温度信息并用阻抗跟踪算法来确定电池组的SOC。

4 结束语

本文分析研究了电动自行车的锂离子电池管理的安全性、耐用性和SOC估算等问题，采用TI电池管理IC对电动车电池保护和均衡和SOC估算模块进行优化设计，实验表明本方案提高了锂电池的使用安全性，延长了锂电池的使用寿命，且具有很好的功耗和成本优势。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]张朋.基于智能芯片的电动自行车电池管理系统的设计与实现[D].南京邮电大学，2013.

作者简介：刘毅（1991，3-），男，湖南衡阳市，学历：本科，研究方向：无线通信。