后备电源介绍.docx

1背景作为储电工具的蓄电池，即通常人们所说的二次电池，无论是使用历史最悠久、应用最广泛的铅酸电池，还是近十几年才发展起来的更具有发展空间的高性能锂离子电池，在使用中最怕的就是过充电和过放电。一旦过充、过放电，电池就要损坏，容量降低，寿命减少。严重的情况下，还会发生爆裂和起火燃烧。尤其是锂离子电池，通常所发生的爆燃现象，基本上都是由于电池过充、过放电所引起来的。因此，蓄电池在使用中，那怕是一节电池，都要进行电池管理，都要配置电池管理系统。这是保障电池使用安全、使用性能和使用寿命的必不可少的措施！蓄电池在成组使用时，更容易发生过充、过放电的现象，其根源都在于电池的一致性误差所引起来的。蓄电池组中的单体电池，由于电池的制造和使用条件的不同，其使用特性是存在差异的。亦即电池的电压、容量、内阻和自放电率，在不同温度、不同充放电倍率、不同荷电状态、不同使用历程等的使用条件下，是各有差异的。而这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将进一步加大，导致部分电池发生过充、过放电现象，造成电池容量和寿命的急剧下降，最终引起事故的发生。这是蓄电池在使用中出现的难题！为此，近十几年来，国内外的许多专家学者，广大蓄电池的制造者和使用者，都大力开展了旨在解决电池一致性误差所带来危害的研究，开发出了各种各样的电池管理系统(BMS)。至今为止，电池管理系统(BMS)，一般都具有高低压、高低温、和过流短路等多项常规保护功能和储备电量的测量功能，有许多电池管理系统(BMS)还具有所谓电池的均衡功能。应该怎样去管理电池呢？这是多年来大家所关心的问题。显然，提高电池的质量是关键，但是，正确地去设计一个合乎科学理念而又实用有效的电池管理系统 (BMS)，也是必不可少的。不然的话，即使有很好的电池，电池还会照样损坯。本系统的电源管理采用的是分级管理模式，即上位机+下位机管理模式。上位机实现信息的汇总如SOC预测，电池组温度检测等以及与用户的交互操作，同时实现控制下位机以及与PC或其他外部接口通信功能。下位机采用MCU实现电池的充放电控制、电池状态检测等功能。截至2011年5月底，中国3G基站总数达到71.4万个，中国移动、中国电信和中国联通的3G基站分别达到21.4万、22.6万和27.4万个。在运营商3G投资以及2G扩容的带动下，2011年，中国通信电源市场继续保持了稳定的市场增长速度。另一方面，在需求和技术的共同推动下，绿色化、高频带化和模块化成为通信电源发展的大方向。从应用领域看，电信行业仍然是通信电源最大的需求市场，但随着3G投资逐步进入平稳时期，通信电源企业纷纷开拓新应用市场，金融、政府、制造、能源等领域也成为厂商关注的应用市场，通信电源需求呈现扩散化发展趋势。而从市场竞争来看，通信电源市场集中度较高，厂商也比较稳定，前五位厂商市场份额占到整体市场的80%左右。2009年被称作中国3G的元年，3G网络的建设直接带来达上千亿元规模的投资，配套设备同步增长，通信电源需求旺盛。2009年，中国通信电源市场收入达到37亿元人民币，较2008增长了27.6%，通信电源出货量达35.7万套，较2008年增长了8.5%。2009年中国移动、中国联通及中国电信三大运营商都对通信电源产品进行了批量采购，三家运营商采购规模相差不大，其中中国联通的集采量略高于其他两家运营商，占36.0%的份额。2011年，中移动在11省市开始试点工作，中国联通，中国电信也相继开始集中招投标采购工作，作为电源系统未来需求进一步扩大。磷酸铁锂电池近两年开始逐步走入通信行业。在三大运营商中，中国移动对磷酸铁锂电池的应用相对较多，中国电信和中国联通则更谨慎一些。 2010 年底，中国移动河南省公司启动对磷酸铁锂电池的集中采购招标，这也是中国移动对此产品的首次集中招标。2011年，中国移动在11省市展开磷酸铁锂电池试点工程，标志着磷酸铁锂电池全面应用的开始。据亚化咨询调研结果显示，如果把中国移动现有的普通铅酸电池全部替换成磷酸铁锂电池，市场规模高达 6000 亿元。电池管理系统作为电池保护和管理的核心部件，不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命，作为电池和车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁，电池管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。2项目研制意义电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理系统的发展，也会增添其它的功能。电池管理系统（BMS）作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件，起到保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能，是动力和储能电池组中不可或缺的重要部件。其市场规模将与动力、储能领域的锂电池同步扩张。透过电池管理系统（BMS）能准确量测电池组使用状况，保护电池不至于过度充放电，平衡电池组中每一颗电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为驾驶可理解的续航力信息，确保动力电池可安全运作。电池管理系统（BMS）产业发展类似锂电池，车厂为掌握关键技术，会与长期合作供货商密切合作产品开发，对新进厂商切入难度高。因此，未来新进厂商欲切入车厂供应链，除与相关供应链强化合作关系外，针对需求打造客制化方案，才有机会抢得先机。因此，通过本项目的实施，不仅对电池电源系统行业具有促进作用，乃至对整个新能源产业都将具有强力的推进作用。同时，带动多个相关产业的发展，对促进经济持续发展，推动和谐社会的构建有不可估量的作用。本项目的实施，将对下游的电池制造业和电动工具行业，特别是大型储能电站和大功率电动汽车行业有着积极的促进作用。随着电动汽车行业的发展，对锂离子电池正极材料的需求迅速增加，市场容量不断扩张，开展本项目将取得巨大的经济效益。同时，开展本项目将为推动新能源行业的发展作出贡献，充分将本省锂资源优势转化为推动本省经济大发展的动力；可以从技术上支持国家的节能减排政策；可以替代铅酸电池减少环境污染的威胁，社会效益非常显著。3主要研制工作 2.2.1实时监控功能（1）电池组容量（SOC）、电池组/电池电压、电池组充电/放电电流等；（2）电池组的充电/放电状态、过充/过流告警、放电欠压/过流告警等;（3）电池组的充电/放电管理参数。2.2.2实时保护功能（1）过充电保护：电池组处于过充电状态时，应切断充电电路并告警；（2）过放电保护：电池组放电至终止电压后，应切断放电电路并告警；（3）短路保护：电池组输出端发生短路，应瞬间切断电路并告警；（4）过载保护：电池组放电电流达到过载保护电流值时，应切断电路并告警；（5）温度保护：当温度达到设置的保护点范围时，电池组应切断电路并告警。4.应用研究本系统设计的SOC预测方法是针对不同的电池组，在出厂前精确测试其SOC参数，避免了因为制备材料差异导致的SOC估算误差过大的问题，同时，本系统主控芯片为ARM11，具有运算速度快、接口丰富的特点，可以快速地估算SOC及各项参数，同时能及时控制电池组中每块电池的各项参数、充放电以及保护等特点，由此验证了本项目技术可行性及其实用性。5.研制结果本系统基于嵌入式控制芯片ARM11和WINCE6.0操作系统，具有如下功能及特点:（1）本系统的电源管理采用的是分级管理模式，即上位机+下位机管理模式。上位机实现信息的汇总以及与用户的交互操作，同时实现控制下位机以及与PC或其他外部接口通信功能。下位机采用MCU实现电池的充放电控制；（2）本系统采用的主控芯片为ARM11芯片，同时，采用了WINCE6.0操作系统，实现了多线程以及多串口协同工作；（3）本系统设计了一套形象的电池状态显示界面，包括在主界面上详细列出电池组各个电池的当前SOC、电压，以动画方式实时显示各电池的当前电量状态、报警信息等；（4）本系统以触摸屏方式提供给用户直观的操作界面，同时在需要输入的地方自动给出软键盘以供用户输入，具有相当的用户友好性以及操作的便捷性。6.存在的问题及解决方案6.1如何有效提高电池 SOC 预测精度，改善电池的工作状况和存放环境本系统设计了一套SOC算法动态加载接口。针对不同的电池组，在出厂前进行SOC相关参数的测试并配置到该电池组的管理系统中，从而使得每一个电池组的管理系统的参数都是最适合其本身特性的，有效提高了SOC预测精度。6.2如何提供便捷、直观的系统控制接口，保证系统长期稳定运行本系统采用了最新的嵌入式控制芯片ARM11，该芯片具有接口丰富、运行稳定、处理速度快等特点，同时搭配有WINCE6.0操作系统以及采用了触屏操作方式，另外，在系统主界面中，更采用了图形化示意的方式动态地展示各项电池组状态信息，从而使得用户操作更加的便捷、直观。6.3如何保证系统各电池状态互相独立不产生干扰，个别电池异常不影响系统整体运行本系统采用了每块电池独立采样、通道分离，分级管理的模式，即使个别通道出现异常工作状态，也不会影响到其他通道以及上位机ARM11主芯片的工作。7.技术方案（1）为了高效、稳定地管理电池组，本系统采用接口丰富、运行速度高的ARM11嵌入式芯片。（2）为提高系统的容错性以及扩展性, 本系统采用分级设计模式即上位机+下位机的方式，电池组中每块电池单独接入到下位机通道。（3）为了达到界面功能简洁，操作便捷、直观的目的，本系统用户操作接口采用了WINCE6.0操作系统并运用了触摸屏作为输入终端。（4）为了提高系统的安全性，本系统设计了一系列的告警、保护功能。（5）为了能精确监控电池组状态，本系统设计了电池组各项性能指标的监控管理接口。8. 技术特征（1）本技术设计的BMS构架采用分级管理模式，即上位机ARM+下位机MCU管理。分级管理模式将系统实现了检测、控制逻辑与底层硬件逻辑的分离，从而可以避免单个通道出现异常时对整个系统运行的干扰，同时，分级管理模式可以动态地加入或者脱离某个通道，具有极好的扩展性与运行稳定性。分级管理模式在设计上具有稳定性及容错性好等优点，并且整个体系结构清晰便于维护。同时，这种设计要求电路设计上充分考虑通道的干扰以及隔离措施，同时在算法设计上要考虑更多的异常捕获与处理。（2）本技术的操作界面直观便捷，系统状态指示形象明了。触屏的操作方式可以大大提高系统的友好性及直观性，避免了传统的按钮输入方式的电路设计复杂以及输入控制实时性不高等缺点。要实现这一技术需要充分考虑界面设计的合理性同时考虑定制系统软键盘、对触摸屏器件的驱动设计等，同时设计上需要加入实时的多线程处理并做好中断处理等。（3） 本技术采用最新的嵌入式ARM11芯片并使用WINCE6.0操作系统，相比于其他采用单片机及其他芯片的电源管理系统，ARMM11芯片具有更高的处理速度以及更好的稳定性，目前大量的智能设备均采用ARM11芯片，因此，本系统结合ARM11芯片和WINCE6.0操作系统来实现多线程的、实时的电源管理，由于ARM11芯片接口丰富，本系统同时还实现了对PC的通讯接口，包括当前电池组状态的输出与报告生成等功能。（4）本系统具有对电池组各项性能指标的实时监控功能如电池组容量（SOC）、电池组/电池电压、电池组充电/放电电流；同时本系统具有系统告警功能如电池组的充电/放电状态、过充/过流告警、放电欠压/过流告警等；本系统还能管理电池组的充电/放电参数。(5) 作为电源管理系统，SOC的监测一直是国内外研究的重点，本系统的SOC计算算法不是采用传统的理论公式计算或者是采集电流、电压反馈运算等方式，而是完全贴合当前电池组本身材料特性的方法，即出厂前对每个电池组的充放电特性曲线、SOC特性曲线进行预先的测试、记录及分析，然后将其特性曲线固化到其管理系统中，这样一对一的定制化的系统，完全契合了电池组本身的材料及工艺特性，避免了理论估算可能带来的误差。（6）本系统具有安全保护功能，能提供过充过放保护、短路过载保护、温度保护等功能。（7）综合以上特点，本项目基于ARM的基站后备电源管理系统具有高效、安全、直观便捷的特征，采用此技术的电源管理系统安全可靠，操作性和稳定性好。9. 总体性能指标（1） 电压测量精度：0.5%；（2） 温度测量范围（）：-40125；（3） 电流测量精度：0.5%；（4） SOC测量精度：5%；（5）单体电池电压采集精度：15mV；（6） 电压输入范围：DC 48V。10.技术的先进性和创新性公司研究团队针对电动汽车锂离子电池管理系统，设计能够实时动态估计电池组在充电、放电和静置状态下的剩余电量的算法以及对锂电池健康状态和性能估计的方法；分析和研究锂离子电池组的基本工作原理和充放电特性，通过对锂离子动力电池组的充放电试验，详细分析影响电池SOC的主要因素；建立了电池故障诊断的专家系统，对电池健康状态和性能进行实时在线评估。同时，建立了电池开路电压、充放电电流、电池温度、电池使用寿命、自放电率与电池SOC之间的对应关系，并将该模型应用于实际的SOC在线测量中，实现高效率、高精度的信号检测目的。公司研究团队开发了充放电双向均衡技术和模块化动态可调节热管理技术。公司将开发的上述技术应用于12V、24V、48V、72V电源控制系统，试制为型号KN-32-1、KN-32-2、KN-32-3、KN-32-4的产品。公司将中试生产的磷酸铁锂产品通过委托加工方式制作成12V不同容量的单体电芯，通过与不同的电源控制系统组合形成完整的电源系统。公司与中国工程物理研究院电子研究所、重庆戴徕密客电源有限公司等单位合作，将产品与国内不同生产厂商的同类产品进行了对比实验，表明公司的电池管理系统在国内处于领先地位。10. 国内外同类技术的比较国外研究者在电池管理上做了大量的实践和理论工作，取得了丰硕的成果并应用在诸多场合如车载电池管理系统：美国的福特、通用及日本的丰田等为其小批量生产混合动力汽车、电动汽车配套的车载电池管理系统己经达到相当高的精度和水平。在电池管理系统的研究上，国外主要进行了以下的工作：10.1电池 SOC的测量国外关于电池荷电状态SOC的研究大多是通过测量电池的电流电压等外界参数找出SOC与这些参数的关系，以间接的测出电池的SOC值。目前常用的有开路电压法、容量累计法、电池内阻法等。10.2电池的动态监控电池运行状态的至关重要，故电池管理系统的另一个功能是对电池进行动态监控。但是由于运行电池的性能不能直接观测，其性能还是要通过电池的外在电压、电流、温度等参数判断其运行状态是否正常。因此常用的方法是设计电池模糊诊断系统，通过模糊判断确定电池的运行状态，找出失效的单元电池。但是由于模糊系统判断过程缓慢，且需要大量实验数据组成专家系统。10.3电池的热平衡管理环境温度对电池的性能产生很大影啊，高温或低温对电池的寿命和容量都不利。美国研究者发现，Ni-MH 电池即使在-22时还能提供接近其设计容量的能量，但是总电压下降了9.2%，总电压波动增加到40.2%，单体模块的最大充电电压与其最小充电电压相比，电压波动增加了30.3%（原因是电池活性物质的活性变差）。这种由单体电池的SOC的波动引起的总电压的降低对电池的性能和寿命有害。同样，当环境温度高于40时，电池负极的储氢合金很容易析出氢气。在此温度下工作，特别是进行充电（充电反应是放热反应）时，会对电池寿命和性能产生不可恢复的致命性影响。国外成功开发出的电池管理系统，比较有代表性的有：德国 Mentzer Ulectronic GmbH和Werner Retzlaff为首设计的 BADICHUQ系统及BADICOaCH系统；德国B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统。10.3.1BADICHEQ 系统功能（1）能同时对 20个电池单元进行电压测量；（2）能进行电流和温度测量；（3）能根据电池单元对主充电机的充电电流进行控制；（4）能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电；（5）能储存历史数据和与 PC 机进行数据通信；（6）显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量以及各种异常报警。10.3.2 BADICHEQ的改进型BADICO a CH的特点（1）每个电池单元上加一个非线性电路（WLC）来测量电压，将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给BADICO a CH 系统，并在那里解码；（2）装有一两条PWM信号输出线来控制充电电流和电压的大小；（3）最差电池单元的剩余电量被显示出来；（4）给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号；（5）对最近24个充放电周期的详细数据进行存储，允许在对电池好坏作判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情况；（6）与PC机数据传送采用RS232标准。103.3BATTMAN系统BATTMAN电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。之所以要这样作，是根据对不同型号的电池组的管理可分为共同的部分和特殊的部分。而目共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：（1）决定电池能存储的电流能量；（2）决定最弱电池单元的剩余电量；（3）能影响电池的运行和数据的记录；（4）温度的测量。10.3.4 EV1的电池管理系统通用汽车公司推出的EV1电动汽车由26个铅酸电池供电，放电深度80%，电池寿命是450个深放电周期，113公里市内行驶里程（美国环保局指标，USA UPA Schedule），145公里高速公路行驶里程（美国环保局指标，USA UPA Schedule）。EV1的电池管理系统概念定义包括四个组成部分：（1）电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）；（2）软件 BPM（Battery Pack Module）；（3）电池组热系统；（4）电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect）；可见，EV1 的电池管理系统的核心是 BPM。BPM 有以下功能：（1）单电池电压监测；（2）电池组电流分流采样；（3）电池组高压保护（保险丝）；（4）六个热敏电阻进行温度采样；（5）以电池组的平均特性控制充电；（6）过放电报警；（7）电量或里程计算；（8）高压回路继电器（High Voltage Bus Relays）。10.3.5SmartGuard 系统这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置（用了专用 IC）来测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。Smart Guard的主要功能有：（1）过充检测，防止过充；（2）提供放电极性反向报警；（3）电池历史记录和归档；（4）提供最差电池单元的剩余电量信息。10.3.6BatOpt系统该系统每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过two_wire总线，监控模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有以下特点：（1）每个模块提供 5 安培的均充电流；（2）模块有一温度监控；（3）two_wire 总线接口。我国关于电池管理的研究是研究者在学习国外己有的成果的基础上的创新成果。国内研究重点放在SOC的确定、判断电池放电中止的方法和行车充电器的设计。国内的电池管理系统，仍然处于起步阶段。目前主要是一些高校，依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，如清华大学、北京理工大学、同济大学、北京航天航空大学等等，都取得了丰硕的成果：清华大学为EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统。在行驶过程中可对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监控，防止过充电、过放电，提高了电池寿命和效率，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。对电池 SOC 的测量,国内的文章都参考了国外文献，同时都进行改进，提出了自己的测量方法。常见的方法有SOC定义修正测量方法、SOC模糊测量方法以及通过电压容量梯度法判断放电终点。其中，北方工业大学在关于该方面的研究中取得了重要的成就，他们采用了系统辨识的思想取得了比较理想的效果。SOC定义修正方法是根据电池特点将其电荷状态设定为标称电荷状态SOCB和动态电荷状态SOCD。SOCB特指某一恒定温度下，以标称的恒定电流放电时所放出的标称容量为基准所确定的SOC值。SOCD是随放电电流、温度变化而变化的电池荷电状态，它与SOCB的关系为：SOCD=SOCKKWf(I) (1-1)其中，KW为温度影响系数，I为当前及以后一段时间稳定的实际电流。其测量方式为首先根据容量积累法测出SOCK，然后根据开路电压对SOCK进行校正，最后根据SOCB求出SOCD。但是，SOC本身特性不仅仅受理论上材料特性的影响，还与实际的制造过程中电池的特征参数相关，为了避免纯理论公式预测SOC带来的误差，本系统采用了创新的本地化的电池SOC测试算法，即每组电池的管理系统中SOC值均是通过实际的出厂前测试得到。既避免了因为制备材料差异或者制备工艺导致的SOC估算误差过大的问题，同时，相对于传统的分布式控制系统，本系统