混合动力船舶锂电池保护板的设计与实现

刘 凯，张泽宇，蒋 炜



混合动力船舶锂电池保护板的设计与实现

刘 凯，张泽宇，蒋 炜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了一套基于8051微控制器的锂电池保护板系统的设计。本系统针对混合动力船舶的使用环境进行设计，可满足锂电池充放电过程的复杂性的需要，对锂电池单体及整组提供过充过流保护、高低温保护、放电短路保护等智能保护，具有可靠性高、功能强大、性价比高的优点。

锂电池 8051 保护板

0 引言

目前随着新能源船舶的发展，锂电池在混合动力船舶上适用日益广泛。锂电池具有高能量、工作温度范围宽、工作电压平稳、贮存寿命长等诸多优越特性。但锂电池同样也存在在恶劣的环境可能会发生起火等不稳定性问题，本文针对混合动力船舶锂电池使用的情况，对锂电池单体及整组电池提供过充过流保护、高低温保护、放电短路保护、充电机反接保护、电池均衡等，采用了智能保护、电压均衡控制等智能化技术，是功能强大、技术指标完善的锂电池保护板系统。

1 锂电池保护板的系统设计

本文中采用的锂电池组为32串单体20 Ah磷酸铁锂电池成串，构成96 V，20 Ah电池组。

该电池组正常使用过程中，额定放电电流为80 A，瞬时放电电流200 A（5 ms），额定充电电流10 A，过流能力100 A（持续90 s）。

如图1所示。电池组的充放电分别由主回路模块中的充放电开关管K1、K2控制。当主控制模块检测到电池组出现过压、过流、过温、短路等故障时，控制电路将断开充放电开关管，切断电池连接主回路，起到保护电池和用电设备的作用。报警信号模块安装在电池外壳上，可以显示当前电量和电池系统状态。

系统具有以下功能：1）保护功能；2）通信功能；3）电池组电压、充放电电流采集，电池组温度采集；4）加热板控制功能；5）触点控制功能。

2 锂电池保护板的硬件设计

根据控制系统框图按照功能可分为以下三个模块：主回路模块、主控制模块、报警信号模块。

2.1主回路模块

充放电主回路模块由功率MOSFET管、驱动回路、采样电阻组成。充放电开关管由8个功率MOSFET（IRFP260）并联构成，IRFP260具有体积小、导通电阻小（0.06Ω）和漏源击穿电压高（200 V）的优点，适用于本文中的使用环境。

正常情况下，充放电开关管处于导通状态，电池组的具体工作状态由主控制模块控制，可以工作在放电状态，也可以工作在充电状态。板载有高精度、高可靠性锰铜采样电阻可采集电池组主回路电流，当保护回路检测到过充电、过放电、过电流等异常现场时，开关管关断充电或放电回路，实现保护功能。如图2所示。

2.2主控制模块

主控制模块基于8051单片机开发。MCU为电池管理系统的核心，通过通讯总线读取电压采集与保护电路、电流采集与保护电路和温度采集保护电路采集到的电池参数，利用内建的电池模型对电池组及每个单体电池的状态进行评估，在此基础上依据相应控制、保护策略对外围设备（如加热器）给出控制指令，或者给出状态显示和报警信号（上位机）。如图3所示。

主控制模块的开关电源模块采用朝阳电源公司的M系列电源模块，该军用级电源模块具有高精度、宽工作温度范围等优点。

电压采集及保护电路主要完成对电池组内单体电池端电压和总电压的检测，并将检测数据通过总线传递给MCU。当检测到电池组出现单体过压、电池组过压等故障时，控制电路将输出保护信号给开关管驱动电路，断开充放电开关管。

电压采集及保护电路具有均衡功能。电压采集及保护电路接收MCU的指令，对需要电压均衡的单体电池进行电阻均衡。该电路主要功能模块包括LINEAR公司的专业电池管理芯片LTC6803I，该芯片通过支持多节电池组电压测量以及电压均衡。

电流采集及保护电路主要完成对电池组充放电电流的检测，并将检测数据通过总线传递给MCU。当检测到电池组出现短路、过流等故障时，控制电路将输出保护信号给开关管驱动电路，断开充放电开关管。电流采集通过主回路模块高精度、高可靠性锰铜采样电阻实现。

温度采集及保护电路主要完成对电池组温度的检测，并将检测数据通过总线传递给MCU。当检测到电池组出现过温、低温等故障时，控制电路将输出保护信号给开关管驱动电路，断开充放电开关管。

温度采集及保护电路含6个温度测点，该温度测点采用数字式温度计ds18b20，其具有最高 12 位分辨率，精度可达±0.5 ℃，检测温度范围为-55°C ～+125°C。另外提供2个温度测点（PT100）由上位机采集。

2.3 报警信号模块

报警信号模块由4个LED双色指示灯（红绿）构成。通过主控制模块控制，显示电池组和保护板的状态。

在系统运行正常时，指示灯为绿色，显示电池组电量。当系统故障时，指示灯为红色，分别对应控制系统故障、充电故障、放电故障和备用。

3 锂电池保护板系统的控制策略

3.1 工作模式

锂电池保护板系统根据电池状态工作在静置模式、充电模式和放电模式。锂电池保护板系统由外部供电（DC24 V/20 W），并且系统启/停机由外部端子控制。具体工作步骤如下：1）外部供电开关合闸，保护板系统辅助加热电路工作。2）外部系统启/停开关合闸，保护板系统启动，系统开始运行，辅助加热电路停止工作。3）保护板系统正常运行，对电池组进行检测和保护。4）外部系统启/停开关分闸，保护板系统停机，系统停止工作。5）外部供电开关分闸。

3.2 保护措施

锂电池保护板系统具有单体电压过充、总电压过充、过流、高温、低温、短路等，保护措施如下（保护阈值可修改）:1）单体电压或总电压过充，当超过设定的保护阈值时关断充电MOSFET并停止充电；2）充电过流，当超过保护阈值15 A设定值90 s时，关断充电MOSFET并停止充电；3）放电过流，当超过保护阈值105 A设定值90 s时，关断放电MOSFET并停止放电；4）电池组温度异常，当电池组温度大于75℃和小于-20℃时，关断充放电MOSFET、电池组停止工作；5）电池组短路，当出现瞬时大电流（200 A）时立刻关断充放电MOSFET、电池组停止工作。

3 锂电池保护板系统的实现

本文中锂电池保护板主要针对32串，总电压96 V，容量20 Ah锂电池组提供过充过流保护、高低温保护、放电短路保护、充电机反接保护等，以下为本系统的实际联调图。

4 结束语

本文设计了一套针对32串锂电池组的锂电池保护板系统，采用了智能保护、电压均衡控制等智能化技术，能够满足工业的需要，具有集成度高、安全可靠、智能化、小型化等特点。

[1] 蒋新华.锂离子电池组管理系统研究［D］.上海：中国科学院微系统与信息技术研究所，2007.

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Design and Implementation of Li-ion Batteries Protection Board to Hybrid Power Ship

Liu Kai,Zhang Zeyu,Jiang Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China)

TP274

A

1003-4862（2016）05-0038-03

2015-12-16

刘凯（1980-），男，高级工程师。研究方向：船舶系统集成。