CN106505667A - 一种基于fpga控制的锰酸锂电池大电流均衡方法 - Google Patents

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张烈平
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法。设置一套锰酸锂电池控制系统，包括至少两个串联的锰酸锂电池、与锰酸锂电池数量相等的第一接触器和第二接触器、大电流放电电阻、锰酸锂电池电压检测模块、FPGA控制器和保护装置。FPGA控制器通过锰酸锂电池电压检测模块获得各个锰酸锂电池电压，当锰酸锂电池之间的均衡度大于设定阀值时，将电压最大的锰酸锂电池根据设定的时间通过大电流放电电阻放电。本发明采用FPGA作为主要均衡控制器，提高控制速度。本发明采用接触器矩阵方式，实现对锰酸锂电池的大电流放电，以提高均衡的可靠性，并实现大电流放电。本发明方法操作简单，安全可靠，均衡效果好。

Description

一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法
技术领域
本发明属于锂电池组的均衡技术领域，特别涉及一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法。
背景技术
燃油汽车的发展造成了石油资源的巨大消耗，全球能源危机的不断加深，同时加剧了温室效应和大气污染的危害。世界上大多数国家、政府以及汽车企业都普遍认识到节能减排是未来汽车产业的发展方向，而发展电动汽车将是解决这个难点的最佳办法。电动汽车具有噪声低，无尾气排放、环境友好，热效率高，排放低，可回收利用，改善能源结构等优点。各汽车生产企业正积极研发电动汽车，中国政府也在积极推广电动汽车。电动汽车根据动力源可以大致分为纯电动汽车，混合电动汽车和燃料电池电动汽车。这些电动汽车一般会配置电池作为储能元件，特别是纯电动汽车中广泛应用多串电池作为动力源。
锰酸锂电池以LiMn2O4作为电池的正级，由铝箔与其他正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极和负极隔开，锂离子可以通过而电子不能通过，右边是由碳组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解液，电池由金属外壳封闭封装。锰酸锂电池由于其放电性能优越，可以广泛在动力系统中应用。
由于锰酸锂电池组的各个单体都是不同的个体，在生产工艺，生产时间等因素导致电池性能指标存在差别。虽然随着技术的不断进步，出厂前，锰酸锂电池内部之间的差别不断缩小，但是使用过程中微弱的不一致性会随着使用条件被不断放大。这样的不一致性将导致整组锰酸锂电池的容量与设计值偏差越来越大。在充电过程中，容量小的单体将首先被充满，导致其他容量的电池不能获得足够的容量；在放电过程中，容量小的单体首先被放电到截止电压，整组电池将停止放电。这样的不一致性问题的存在，造成锰酸锂电池组的可用容量和使用寿命等方面远不及单体电池，并且加大了对电池进行管理和控制的难度。实践表明，当电池组的一致性问题发展到个别电池发生容量大幅减小，内阻显著提高等情况时，整组电池的性能会在短时间快速恶化，从而使整个电池组报废。
为了解决锰酸锂电池组不一致性问题，人们提出了锰酸锂电池的均衡技术。均衡管理的主要内容是检测锰酸锂电池组的电压，电流等参数，对这些参数进行识别，分析电池的一致性，通过控制装置对能量体高的单体进行放电，使各个单体的状态趋于一致。通过有效的均衡控制策略和均衡电路可以改善电池组的一致性问题，能够延长电池组的寿命，降低电池组的维护成本，使安全高效智能使用的电动汽车获得推广。
目前通用的均衡方法是对每个锰酸锂电池配置一个放电电阻，通过检查每个单体的电压，对单体比较高的单体通过自己对应的放电电阻进行放电。当锰酸锂电池容量比较大时，该放电电阻放电电流将很难满足快速均衡的要求。如果将每个锰酸锂电池对应的放电电阻功率变大，其体积和散热将面对新的挑战，现有采用电阻均衡的方法很少有大电流均衡的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法。
具体步骤为：
(1)设置一套锰酸锂电池控制系统，包括锰酸锂电池组、大电流放电电阻、锰酸锂电池电压检测模块、FPGA控制器和保护装置，其中锰酸锂电池组包括至少二个串联的锰酸锂电池，每个锰酸锂电池均对应一个第一接触器和一个第二接触器；锰酸锂电池的正极通过其对应的第一接触器连接于大电流放电电阻的第一端，锰酸锂电池的负极通过其对应的第二接触器连接于大电流放电电阻的第二端；锰酸锂电池的正极和负极与锰酸锂电池电压检测模块能够通电地相连接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子与锰酸锂电池电压检测模块接，控制端子与第一接触器和第二接触器的控制端子连接；FPGA控制器控制锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器导通时，锰酸锂电池与大电流放电电阻并联，同一时刻只有一个锰酸锂电池与大电流放电电阻并联；保护装置包括直流接触器和自恢复保险丝，直流接触器和自恢复保险丝串联在一起后连接于锰酸锂电池组的负极。
所述锰酸锂电池为基本锰酸锂电池单元即单体锰酸锂电池或者由多个基本锰酸锂电池单元并联组成的锰酸锂电池砖。
(2)步骤(1)设置的锰酸锂电池控制系统按照以下步骤运行：
a. FPGA控制器与锰酸锂电池电压检测模块通信，获得每个锰酸锂电池的电压。
b. FPGA控制器根据获得的N个锰酸锂电池电压，找出电压最大的锰酸锂电池，其中N大于等于2。
c. FPGA控制器求出所有锰酸锂电池的平均电压。
d. 当电压最大的锰酸锂电池与所有锰酸锂电池的平均电压偏差大于一设定阀值时跳入步骤e，否则回到步骤a。
e. FPGA控制器通过控制电压最大的锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器使电压最大的锰酸锂电池与大电流放电电阻并联，对锰酸锂电池进行放电。
f. 等待设定的时间T，FPGA控制器通过控制端子断开所有接触器开关，程序返回步骤a。
(3)完成步骤(2)即实现基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡。
本发明使用一套锰酸锂电池控制系统，该系统包括锰酸锂电池的充放电均衡装置，使锰酸锂电池系统在充放电过程中得到有效的管理和均衡，以提高锰酸锂电池系统的能效和使用寿命，并降低锰酸锂电系统的维护成本。本发明采用FPGA作为主要均衡控制器，提高控制速度。本发明采用接触器矩阵方式，实现对锰酸锂电池的大电流放电，以提高均衡的可靠性，并实现大电流放电。本发明方法操作简单，安全可靠，均衡效果好。
附图说明
图1为本发明实施例中使用的锰酸锂电池控制系统的结构示意图。
图2为本发明实施例充放电过程中的均衡控制方法流程图。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图对本发明进一步说明。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
如图1所示，一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法，具体步骤为：
(1)设置一套锰酸锂电池控制系统，包括锰酸锂电池组、大电流放电电阻R（自带散热器的大功率电阻）、锰酸锂电池电压检测模块、FPGA控制器和保护装置，其中锰酸锂电池组包括至少二个串联的锰酸锂电池，每个锰酸锂电池均对应一个第一接触器和一个第二接触器；锰酸锂电池的正极通过其对应的第一接触器连接于大电流放电电阻R的第一端，锰酸锂电池的负极通过其对应的第二接触器连接于大电流放电电阻R的第二端；锰酸锂电池的正极和负极与锰酸锂电池电压检测模块能够通电地相连接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子与锰酸锂电池电压检测模块接，控制端子与第一接触器和第二接触器的控制端子连接；FPGA控制器控制锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器导通时，锰酸锂电池与大电流放电电阻R并联，同一时刻只有一个锰酸锂电池与大电流放电电阻R并联；保护装置包括直流接触器和自恢复保险丝，直流接触器和自恢复保险丝串联在一起后连接于锰酸锂电池组的负极。
所述锰酸锂电池为基本锰酸锂电池单元即单体锰酸锂电池。
均衡对象锰酸锂电池1的负极与均衡对象锰酸锂电池2的正极连接，所述均衡对象锰酸锂电池2的负极与均衡对象锰酸锂电池3的正极连接，依次串联各个均衡对象锰酸锂电池，直到均衡对象锰酸锂电池N-1的负极与均衡对象锰酸锂电池N的正极连接，所有锰酸锂电池依次串联组成锰酸锂电池组，在所述锰酸锂电池组中，所述均衡对象锰酸锂电池1的正极为所述锰酸锂电池组的正极，所述均衡对象锰酸锂电池N的负极为所述锰酸锂电池组的负极。
每个所述均衡对象锰酸锂电池的正极通过对应的所述第一接触器与所述大电流放电电阻R的第一端连接，每个所述均衡对象锰酸锂电池的负极通过对应的所述第二接触器与所述大电流放电电阻R的第二端连接，所述第一接触器和所述第二接触器的控制端子K并联后与所述FPGA控制器的控制端子连接。
每个所述第一接触器的D1端子与所述均衡对象锰酸锂电池的正极连接，D2端子与所述大电流放电电阻R的第一端连接，控制端子K与FPGA控制端子连接。
每个所述第二接触器的D1端子与所述均衡对象锰酸锂电池的负极连接，D2端子与所述大电流放电电阻R的第二端连接，控制端子K与FPGA控制端子连接。
所述的锰酸锂电池电压检测模块与所述的锰酸锂电池的正极和负极可通的连接，用于检测每个锰酸锂电池的电压；通过CAN总线与所述的FPGA控制器链接，向FPGA控制器发送所检测的电压信号。
(2)如图2所示，步骤(1)设置的锰酸锂电池控制系统按照以下步骤运行：
a. FPGA控制器与锰酸锂电池电压检测模块通信，获得每个锰酸锂电池的电压。
b. FPGA控制器根据获得的N个锰酸锂电池电压，找出电压最大的锰酸锂电池，其中N大于等于2。
c. FPGA控制器求出所有锰酸锂电池的平均电压。
d. 当电压最大的锰酸锂电池与所有锰酸锂电池的平均电压偏差大于一设定阀值时跳入步骤e，否则回到步骤a。
e. FPGA控制器通过控制电压最大的锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器使电压最大的锰酸锂电池与大电流放电电阻R并联，对锰酸锂电池进行放电。
f. 等待设定的时间T，FPGA控制器通过控制端子断开所有接触器开关，程序返回步骤a。
(3)完成步骤(2)即实现基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡。

Claims (1)

1.一种基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡方法，其特征在于具体步骤为：
(1)设置一套锰酸锂电池控制系统，包括锰酸锂电池组、大电流放电电阻、锰酸锂电池电压检测模块、FPGA控制器和保护装置，其中锰酸锂电池组包括至少二个串联的锰酸锂电池，每个锰酸锂电池均对应一个第一接触器和一个第二接触器；锰酸锂电池的正极通过其对应的第一接触器连接于大电流放电电阻的第一端，锰酸锂电池的负极通过其对应的第二接触器连接于大电流放电电阻的第二端；锰酸锂电池的正极和负极与锰酸锂电池电压检测模块能够通电地相连接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子与锰酸锂电池电压检测模块接，控制端子与第一接触器和第二接触器的控制端子连接；FPGA控制器控制锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器导通时，锰酸锂电池与大电流放电电阻并联，同一时刻只有一个锰酸锂电池与大电流放电电阻并联；保护装置包括直流接触器和自恢复保险丝，直流接触器和自恢复保险丝串联在一起后连接于锰酸锂电池组的负极；
所述锰酸锂电池为基本锰酸锂电池单元即单体锰酸锂电池或者由多个基本锰酸锂电池单元并联组成的锰酸锂电池砖；
(2)步骤(1)设置的锰酸锂电池控制系统按照以下步骤运行：
a. FPGA控制器与锰酸锂电池电压检测模块通信，获得每个锰酸锂电池的电压；
b. FPGA控制器根据获得的N个锰酸锂电池电压，找出电压最大的锰酸锂电池，其中N大于等于2；
c. FPGA控制器求出所有锰酸锂电池的平均电压；
d. 当电压最大的锰酸锂电池与所有锰酸锂电池的平均电压偏差大于一设定阀值时跳入步骤e，否则回到步骤a；
e. FPGA控制器通过控制电压最大的锰酸锂电池对应的第一接触器和第二接触器使电压最大的锰酸锂电池与大电流放电电阻并联，对锰酸锂电池进行放电；
f. 等待设定的时间T，FPGA控制器通过控制端子断开所有接触器开关，程序返回步骤a；
(3)完成步骤(2)即实现基于FPGA控制的锰酸锂电池大电流均衡。
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