摘要：太陽能、風能發電量逐年上升，但發電間歇性與不穩定性，以及外部不確定因素，都會使該類能源并網時遇到阻礙。解決該問題往往通過配備大型儲能裝置，平抑發電系統固有的間歇波動后再逆變并網。大容量儲能裝置的合理應用能有效解決我國中西部某些經濟欠發達地區的發電量不足的問題，大大緩解了國家電網的壓力，也為新能源的存儲提供了有效途徑。目前，大容量儲能裝置大都通過單節電池串并聯后組成。成組后電池因其固有差異及使用過程中形成的所有微小的變化，會導致電池性能不一致。電池性能不均一與離散容易使得電池組失去均衡，如不加以補償管理，長此以往，勢必在電池組使用時帶來安全問題。所以大型儲能裝置配備了電池管理系統，可以補償差異、實現均衡，為電池組正常運行提供保障。

　　關鍵詞：模塊化;鋰電池組;管理系統;優化措施

　　引言

　　鋰離子電池已在各類電子產品中得到廣泛應用。受單體電池電壓和容量限制，往往需要將單體電池串并聯組成電池組給各類裝置供電。組合內單體雖然經過匹配測試，但依然無法保證各個單體電池電壓、內阻、容量完全一致，尤其是使用一段時間后，單體之間性能差異會逐漸變大。電池管理系統應運而生成為電池組標準配置，用以補償或減少電池組內單體不一致性，從而延長使用壽命。電池管理系統包括電池組工作數據采集、均衡管理、SOC評估以及實時監控管理等功能。電池組數據采集電路應具有抗干擾、較好測量精度以及較快采樣速率特點。電池組均衡管理電路是整個系統重點，要盡力降低均衡時間和提高均衡效果。SOC評估重點在于精度符合要求的在線評估算法。實時監控目的是監測電池組工作狀態，防止出現過充過放和過溫等問題。

　　1系統設計

　　電池管理系統主要由主控制器模塊、主動均衡模塊、采集模塊、保護電路模塊和顯示模塊組成。

　　1.1采集模塊

　　采集模塊用ADI公司電池監測芯片LTC6803-1，芯片內置具有噪聲濾波器的DS轉換器和12位ADC，最多可以同時對12只串聯的鋰電池進行電壓和溫度采樣，采樣周期13ms，最大總測量誤差不超過0.25%，外圍電路簡單，抗干擾能力強。

　　通過集成芯片對工作中的電池組進行電壓采集，數據放置在采集芯片的寄存器中。最終由上位機讀取相應寄存器，通過轉換公式得到當前的電池組各節電池電壓。

　　為保證測量的數據不被尖峰干擾，需要在芯片的每個測量口加入一個低通濾波器電路，同時為防止電池反接對采集芯片造成損害，在每塊電池前加入一個穩壓二極管進行保護，見圖1所示。由于LTC6803-1芯片是一種常用于實現數模轉換功能的芯片，它能提供一個基本是0.5ms轉換窗口的平均值的轉換結果，這就表明可以使用一個500kHz頻率下具有30dB衰減的低通濾波器。根據100W，0.1mF的參數設計，可以組成一個16kHz低通濾波器，且提供30dB的噪聲抑制。

　　1.2隔離通信

　　LTC6803的供電電壓為5V，但主控制芯片的供電電壓為3.3V。為保護MCU正常工作，需要在SPI通信時采用基于iCoupler磁耦隔離技術的通用型四通道數字隔離器來隔離通信芯片ADUM1411。相較于光電耦合器的不穩定電流傳輸率、非線性傳輸的問題，磁耦隔離能在寄存器通信時達到可靠、高速率的傳輸。

　　1.3保護電路模塊

　　將采集得到電池組的總電壓和初始設定的一個基準電壓進行比較。若總電壓小于基準電壓，便向主控制器傳輸一個信號，控制器將執行電池組的關斷操作，避免電池組因過放引發安全問題。

　　同理，將檢測得到的電流與閾值進行比較，若電流過大，主控制器將對電池組進行關斷操作。通過模擬信號可以更快實時響應當前電池組電流過大或電壓不足情況。基準電壓可通過改變電阻進行調整，實際大小根據當前工作的電池組數量而定。

　　2下位機硬件設計

　　2.1溫度監測電路設計

　　溫度監測是為了在電池工作過程中監測系統的溫度，防止溫度過高對電池造成危害，而產生其他危險。同時，電池放電時所釋放的熱量過大會導致LTC6803芯片溫度上升，當芯片溫度大于105℃時會使芯片損壞。為此，必須對電池及芯片的溫度進行測量，溫度過高時打開外置風扇進行散熱，以防止電池及芯片的損壞。

　　2.2繼電器控制電路設計

　　管理系統中，為了防止電池的過充和過放，充電時在檢測到某節電池的電壓高于4.2V時，要及時斷開充電回路;放電時當某節電池的電壓低于3.0V時，要斷開放電回路，停止放電。這就需要以三極管作為開關，通過控制繼電器線圈是否接入電源，來控制充電與放電回路的接通與關斷。

　　3下位機軟件設計

　　3.1電壓與溫度測量程序設計

　　電壓測量是依據LTC6803電池監測IC的電壓監測功能來編寫的。由主機STM32發送測量命令代碼至LTC6803，根據接收到的具體命令，完成電壓測量和數據回傳。根據不同的命令代碼和PEC字節編寫不同的命令代碼子程序，在電壓檢測的過程中分別調用所需子程序來完成整個測量過程。

　　3.2SOC評估算法設計

　　SOC評估算法是整個軟件系統中最核心的一部分，SOC評估算法流程見圖6。在電池信息檢測過程中，傳感器采集到的數據會存在一些噪聲，給檢測帶來一定的誤差，因此在電壓檢測后，利用擴展卡爾曼算法進行濾波，將得到更準確的電壓值。本設計中采取將SOC與每毫伏工作電壓的對應關系做成超大型數組，通過查表法將測得的電壓轉換成SOC，這樣既提高了準確性也提高了實時性。

　　4動力鋰電池回收工藝

　　4.1干法回收

　　干法回收是指不通過溶液等介質，直接對有價金屬進行回收，主要使用方法有物理分選法與高溫熱解法。物理分選法是指對電池進行分離拆卸，通過使用物理手段對拆分下來的電極活性物質、集流體和電池外殼等電池組分通過破碎、過篩、磁選分離、精細粉碎和分類一系列操作，從而將高價值金屬材料與其他物質分離。雖然操作過程簡單，但不能完全對鋰電池進行組分分離，并在物理操作過程中，難以對電池中的金屬材料進行有效回收。

　　高溫熱解法是指將經過物理破碎等初步分離處理的鋰電池材料進行高溫焙燒分解，將有機粘合劑去除，從而分離鋰電池的組成材料。雖然此方法操作工藝簡單，在高溫條件下反應迅速，效率比較高，能夠除去殘留的粘合劑，適應于處理大量或者結構較為復雜的電池，但是在處理過程中容易產生有害氣體，產生二次污染，因此還要對產生的有害物質進行防治，處理成本更高。

　　4.2濕法回收

　　濕法回收工藝是通過酸堿溶液對廢舊鋰電池中金屬離子進行溶解，然后進一步使用沉淀、吸附等手段將溶液中的離子進行再提取，使其以氧化物、鹽等形式分離。雖然過程較復雜精細，但回收產品純度高，故濕法回收工藝是目前廢舊鋰電池回收工藝的首選，正逐漸成為專業化處理的主流技術手段。

　　濕法回收主要分為三個階段：首先，對廢舊鋰電池進行放電處理、拆分破碎等物理操作，篩選后得到主要電極材料;其次，預處理得到的電極材料進行溶解浸出，使其中的金屬及其化合物以離子形式進入到浸出溶劑中;最后，對浸出溶液中的金屬離子進行分離回收，這一步驟是濕法工藝回收處理廢舊電池的關鍵，也是目前研究的難點與熱點。

　　電力論文投稿期刊：電源技術主要服務對象是從事化學與物理電源研究、研制、生產的科技工作者，科技管理工作者，有關專業的高等院校師生及部分用戶，與電源相關行業的研究、研制、生產者。

　　結論

　　本文在總結相關電池管理系統研究工作的基礎上，提出了一種模塊化的電池管理系統，完成了對電池組的電壓、電流等參數的精確采集，實現了主動均衡。經實驗結果表明，采集模塊的最大誤差不超過10mV，滿足3.7V電壓的0.25%的精度誤差要求。主動均衡模塊能對電池組內的電壓不一致的電池進行有效的均衡操作。

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　　作者：羅玉花 丁利輝 李振鼎 段源菊 王世恩