电单车锂电池蓄电池电源管理系统设计

电单车锂电池蓄电池电源管理系统设计

李晶

深圳市菲尼基科技有限公司

摘要：电池是当代社会中使用最广泛的能源之一，它在为我们提供各种能量时，也能为人类带来巨大方便。但随着人们生活水平不断提高和对环保意识的增强，如何在能源与环境的双重难题下提高电源系统的充放电效率，达到节能减排的目的则值得深入思考。本文设计一种电单车锂电池蓄电池管理体系，希望进一步提升电源充放电效率，以实现快速充电，并搭建电池模型分析电单车锂电池蓄电池电源管理系统，提出锂电池蓄电池均衡控制策略，以实现锂电池蓄电池的精准控制。

关键词：锂电池；蓄电池；双电源；均衡控制

在电池中，锂离子动力电池是一种应用比较广泛的新型能源。它具有高能量密度、低电压输出和使用寿命长等优点。然而传统的燃料汽车在实际运用过程当中存在充电速度慢，工作效率较低并且不能满足车辆用电需求大等等问题。蓄电池也成为二次电池，是直流系统不可缺少的设备，被广泛的应用于变电站中。其使用优势在于放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生--把电能储存为化学能;需要放电时再次把化学能转换为电能[1]。本文则以锂电池蓄电池设计一种智能控制的电单车电源系统，以锂电池为系统对象、用锂离子作为主要化学传感器实现电能与电量检测。通过双电平衡原理来控制设备电源升压、升流降达到监测电池工作状态的目的；同时该方法又可在充电结束后进行保护，当负载断开时再自动切断电源供电[2]。本文希望在锂电池与蓄电池优势引导的基础上，实现电单车电源系统充放电效率的提升，提高电源的使用效率，也满足是新时代双碳建设目标，达到节能减排的目的。

1锂电池蓄电池电源管理系统技术方案

1.1系统结构

本次设计的电单车锂电池蓄电池电源管理系统结构组成为单片机控制模块、负载模块、锂电池模块、充放电模块以及蓄电池组模块五大结构组成[3]。基于单片机实现双电源性的智能控制，以外部电源实时监测并调整蓄电池的充电状态，一旦蓄电池模块电量达到预定值，此时，单片机则通过智能控制的方式控制继电器切断充电电源，并操作蓄电池模块针对锂电池模块实现充电。当锂电池模块充满电后，系统此时自动断开电路，以锂电池和蓄电池供电的方式，驱动系统负载电路运行[4]。

1.2锂电池模块

在电单车的运行中，由于电单车运行的需求，一块电池板一般由几百节电池单体组成，锂离子电池是目前电单车电池系统的主要选择，锂离子电池具有工作寿命长、安全性高、可靠性强以及自放电率高等优势[5]。电单车在运行的过程中，在复杂工况下若只是简单地利用传感器实现电池荷电状态的确定，其实时性和准确性是难以保障的，要确定最终的荷电状态就需要依靠电力模型来反应电池实际的动态性能特点，并考虑到模型计算的准确性和复杂性。以等效电路模型来说，其主要是在利用电感、电容、电流源、电压源的基础上，按照不同的组合方式来表示电池内外部工作特性[6]。

1.3蓄电池模块

蓄电池模块是锂电池蓄电池电源管理系统中的核心部分，蓄电池模块的核心设计要点在于两部分，分别为蓄电池充放电模块的设计以及蓄电池组模块设计。

1.3.1蓄电池充放电模块

蓄电池充放电效率与充放电功率、充电最大电压、放电深度以及串联等效电阻等有关[7]。本次设计的锂电池蓄电池电源管理系统，以恒电流模式实现充电，根据需要选择5V/1A规格的电源实现蓄电池单体充电，蓄电池的规格为3V、150F，且每次充电时间为80s。以蓄电池作为锂电池蓄电池电源管理系统的储能元件，为确保蓄电池模块使用安全，率先在系统中接入DC/DC变换器，随后将蓄电池接入供电电路中。蓄电池充放电时，电容电压出现明显的波动，为此，设计蓄电池充放电模块时，接入DC/DC变换器达到稳定电容电压的目的。本次锂电池蓄电池电源管理系统设计所采用的DC/DC变换器为SP1208芯片，该芯片的优势在于电压稳定，是一款高效率的直流稳压升压芯片，最高可达28V，允许通过的最大电流为2A。且SP1208芯片具有过热保护、短路保护等功能，适用于本次电路设计需要。

1.3.2蓄电池组模块

单个蓄电池器的电压值只有3V，这远远达不到电源系统储能模块的设计要求。针对锂电池蓄电池电源管理系统的设计，本文将多个蓄电池器组合成蓄电池组，以解决系统储能的需求。串联多个蓄电池器时，其内部参数存在较大偏差，比如说电池容量偏差、漏电流以及ESR不一致等问题的存在，导致蓄电池器充电电压不一致。为确保本次设计的锂电池蓄电池电源管理系统内部充电电压一致，平衡内部参数，设立平衡电压电路，并应用在各个单体蓄电池器上。普通电容器通常与电源连接，所发生的漏电流情况可以忽略不计，串联电容器时，并不需要设计平衡电路，只需要在普通电容器的两端加上电阻即可，按照并联电阻的方式达到分流的目的[8]。但是对于蓄电池组而言，一旦出现明显的漏电流情况，会影响储能元件的储能效果，导致系统电能损耗过大。因此，针对锂电池与蓄电池所建立的锂电池蓄电池电源管理系统，蓄电池组的组建应当做到以下几点：其一，由于直流母线电压较高，单体蓄电池的电压相对较低，此时需要串并联蓄电池，不仅增大了系统建设成本，如何确保系统均压均流也变得更为复杂。其二，通常蓄电池两端的最大耐压值在50%—100%的范围内变化，通常蓄电池组存储能量一般达到75%左右。

1.5充电芯片

针对锂电池蓄电池电源管理系统的设计需要，本文选择TP4056作为充电电路芯片。TP4056芯片的优势在于以恒电流与恒电压实现电路的线性控制，TP4056芯片底部配有散热片和少量的外部元件，促使其可以广泛地应用于便携式电源中。TP4056芯片可以在USB电源以及适配器电源下稳定工作。同时，TP4056芯片内部配有防倒充电路以及MOSFET结构，则不需要在芯片外部额外加装隔离二极管。充电芯片的热反馈效应可以调动储能元件的充电电流，一旦充电芯片的温度升高或者需要进行大功率的操作，则可以调节芯片的工作温度。储能元件工作电压为4.2V，储能元件充电的实现需要在外部设置一个电阻器，当储能元件充电电流达到浮充电压后，对应的充电电流相较于初始电流值下降到10%，此时充电芯片则停止充电工作；储能元件停止充电后，充电芯片自动调整充电电流模式，降低为低电流充电模式，此时系统漏电流则下降到2μA以下；即便此时系统还连接电源，但是充电芯片则处于停机状态下，对应的供电电流最低可达55μA[9]。

2锂电池蓄电池电源管理系统模型与参数设计

2.1电池模型

锂电池蓄电池电源管理系统在使用的过程中由于锂离子电池与蓄电池器不一致性的存在，存在多种差异。（1）开路电压差异。开路电压差异的出现需要在电池放电的过程中测量开路电压的情况，并与原始的开路电压比较。（2）容量差异。运行时，能反应电池容量变化的数据是值，但是在存储的过程中由于电池不一致性的存在，也就导致电池可实际使用容量出现较大变化，进而缩减锂电池蓄电池电源管理系统的使用时间[10]。（3）SOC差异。SOC受电池剩余容量与可用容量的直接影响，当电池可用容量发生变化时，SOC值也就会相应地变化，进而导致不能完全发挥电池容量。在正式估计SOC之前，需要明确电池模型来了解电池基本性能，在等效模型的基础上对电池SOC值有效估计。

本文所使用的等效电路模型如图所示。使用等效电路能更好的检测锂离子电池开路电压特性、极化电阻值、电容值等，从而了解电池情况，模拟电池的外部特征。图中是欧姆内阻，是开路电压，极化内阻，是极化电容。应用该模型能展现出电池输入电压实际变化情况，展现电池特性的变化。

图1电池模型

SOC是在一定放电倍率的相同工况下剩余电量与标定容量之间的比值，可以表示为

（5-1）

式中：电池剩余容量，电池标定容量。

按照安时积分法来说，通过电流在时间上的积分来判断电池充电、放电的电流变化，安时积分法进行计算，实际计算的充电或者是放电过程中电流的变化量，在扣掉原有的基础电流量和标定电容量比值的基础上，就可以确定当前电池SOC的变化量，表示为

（5-2）

式中，其中是初始值，是可用容量，是放电电流。

2.2模型参数辨识

为获得电池OCV-SOC曲线，需要对电池进行脉冲实验，实验步骤如下。充满电池，将其空置3 h，在电池温度恢复到室内温度时，记录电池的开路电压值。在一个脉冲放电周期的条件下，选用3 A恒流状态将电池持续放电180 s，记录电池电压值。放电完成后，将电池静置两个小时。当电池恢复到正常条件时，记录电压值。重复步骤，在设定时间内测定周期性脉冲放电与静置的状态。记录放电过程中的所有参数数据。

在得出测量结果的基础上，在MATLAB软件上作出OCV-SOC曲线，脉冲放电电流、电压如图2所示，得出的OCV-SOC曲线如图3所示。

图2 电池脉冲放电实验

图3 OCV-SOC拟合曲线

在二阶PC模型电路结构的基础上，展开离线参数计算。根据OCV-SOC拟合曲线结果来看，伴随着SOC值的上升；当SOC容量在70%左右时，锂离子进出受阻，大量的锂离子被阻挡在外部，导致短时间内的极化内阻增大。此时，电池等效参数则会跟随电池运行状态的变化而变化。

2.3结果分析

根据模型及参数设计来看，以蓄电池实现电单车锂电池蓄电池电源管理系统的设计，通过外部电源设备供电的方式，在自带升压模块的基础上，外部电源升压，且最大输入电流也上升至5A，最大电压可达12V。通过应用锂电池蓄电池电源管理系统，升压完成后及时给蓄电池充电，此时大量的电荷进入蓄电池，在设备充满电后，则会自动地切断外部供电，蓄电池也会缓慢地放电，进入到锂电池中。若蓄电池放电低压低于4V，DC升压模块则会实现输出电压升压，蓄电池的电量全部释放完成，充电效率得到提升。

3锂电池蓄电池电源管理系统电池均衡控制策略

在蓄电池与锂离子电池共同构建的锂电池蓄电池电源管理系统中，电容均衡电路主要以电容为元件，将能量储存在电池单体内，并实现富能电池与亏能电池的转移，达到能量均衡的目的[11]。在均衡原理下，可分为单电容与多电容均衡电路。单电容均衡电路的使用，在若干BMS控制开关的控制下，让高电压状态下的电池单体将能量向低电压的电池单体移动，在能量转换的过程中，以确保各电池单体的平衡，达到能量均衡。多电容均衡电路下，则使用相同的开关实现电池单体能量由高向低转移。固定分流电阻均衡法在电池组中对应的电池单体上并联一个相同阻值的分流电阻。均衡阶段，电压较高的电池单体则流经并联分流电阻，且经过的电流大，整体放电的速度会比电池单体的放电速度要快，从而在高电压的基础上实现单体快速放电，达到均衡管理的目的。

尽管容量不一致问题在退役动力电池中是一个普遍的问题，且不论是串联还是并联都可能发生容量衰减的情况。因此，针对退役动力电池组实现估算时，应当将整个模块视作一个整体估算。将不同可用容量单体电容器串联成一个蓄电池组，在充电的过程中，受电容组最大容量电池和最小容量电池的限制，当最小容量的电池充电完成后，若继续对电池组充电，则可能出现过度充电的现象，导致电池内部损坏，影响电池的使用寿命。在放电的过程中，由于放电同样受电池最大容量和最小容量的影响，当最小容量电池完全放电后，可能出现过度放电的情况，导致电池组损坏。因此，要考虑蓄电池组的安全使用，需要做好耐久性管理。

4总结

综上，在能源问题与环境问题两大发展障碍下，需要用好可再生新能源及相关材料，而蓄电池器作为一种新型储能装置，具备良好的应用优势，并陆续在电单车领域、电网发电领域以及能源等众多领域中实现广泛应用。本文则根据蓄电池这一新型储能装置，结合锂离子电池设计一种基于单片机智能控制的锂电池蓄电池电源管理系统，以实现快速地充放电，并驱动负载电路。

参考文献：

[1] 邢增强,崔文朋,刘瑞,等.基于蓄电池的太阳能电源管理系统[J].电力电子技术, 2021.DOI:10.3969/j.issn.1000-100X.2021.02.026.

[2] 吴志程，朱俊杰，许金，等.电磁发射用"锂电池－蓄电池"混合储能技术研究综述[J].电机与控制应用, 2021.DOI:10.12177/emca.2020.213.

[3] 汪秋婷，戚伟.新型可再生锂电池/蓄电池器电流控制方法[J].控制工程, 2021.DOI:10.14107/j.cnki.kzgc.20190350.

[4] 翁迪惠,王艺恒,秦旭.锂电储能,氢储能与蓄电池器储能的比较研究[J].科学与信息化, 2021.

[5] 赵振兴.锂电池-蓄电池混合储能系统配置方案及经济性分析[J].风力发电, 2022(6):6.

[6] 亢媛.锂电池-蓄电池混合系统能量管理与仿真[J].甘肃科技, 2019, 35(3):4.DOI:CNKI:SUN:GSKJ.0.2019-03-024.

[7] 江斌.燃料电池蓄电池器混合发电系统能量管理策略研究[J].科学与信息化, 2021.

[8] 刘轩王越吴义鹏.基于蓄电池的储能模块自放电分析[J].江苏电机工程, 2021, 040(003):2-6.

[9] 刘轩,王越,吴义鹏.基于蓄电池的储能模块自放电分析[J].电力工程技术, 2021, 40(3):5.DOI:10.12158/j.2096-3203.2021.03.001.

[10] 吕志强,姚俊彬,江统高.蓄电池电池在锂离子动力电池系统中的应用[J].汽车零部件, 2021(7):5.

[11] 吕志强,姚俊彬,江统高.蓄电池电池在锂离子动力电池系统中的应用[J].  2021.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2021.07.006.