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1、重庆大学 硕士学位论文 磷酸铁锂动力电池充电方法研究和均衡充电模块的设计 姓名：徐伟 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：刘和平 2010-05重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 动力电池是电动汽车的核心能源，磷酸铁锂电池以高安全性、动力、环保及长寿 命而成为电动汽车动力电源的最佳选择。 然而， 对磷酸铁锂动力电池的充电方法的研 究目前不是很多，将其应用在电动汽车上也还存在较多的工程问题未解决。 论文以此为背景，具体完成了以下工作： 论文根据磷酸铁锂电池组充电技术要求，搭建了充电实验平台，设计了充电实验 平台的 CAN 网络和监控单元。 监控单元主控制板与充电机和电池管理系统

2、通过 CAN 网络通信。主控制板利用 CAN 总线对充电机的充电方法进行控制，并利用串口完成 了与上位监控程序的通信。 对磷酸铁锂电池充电特性和充放电机理进行了分析，完成了磷酸铁锂单节电池和 串联电池组的大量充电实验。 在实验的基础上， 采用了一种基于模糊控制的恒单节电 池充电电压上限值的电池组串联充电方法。 该方法可以有效地对单节电池进行过充保 护。 考虑到单节电池在串联充电时，电池之间的不一致性会逐渐加剧，为了保证电池 使用寿命只有降低电池组的利用率。 均衡充电， 作为减小电池组特性不一致性的有效 方法， 可以均衡电池的特性， 从而提高电池组的使用率和显著延长电池组寿命。 论文 在分析了目

3、前各种均衡充电方案的基础上， 设计了一种先用主充电机充电， 再用均衡 充电模块对单节电池补充充电的均衡方案。 对均衡充电模块的主电路、 控制驱动电路以及均衡充电模块的软件进行了设计。 同 时搭建了实验电路， 给出了均衡充电模块的实验波形， 在实验电路的基础上完成了对电 池组中未充满电池的补充充电，验证了该方案的可行性。 关键词： 磷酸铁锂动力电池，充电实验平台，充电方法，均衡充电模块重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT Power battery is the core energy of Electric Vehicle. Lithium iron phosphate ba

4、ttery is the best choice of power battery because of its high security, power, environmental protection and long life. However, the research on charging methods of lithium iron phosphate battery is just starting up and there are still many unresolved problems in engineering application of Electric V

5、ehicle. In this background, following work has been completed: A charging experimental platform has been built based on the charging requirements of Lithium iron phosphate batteries. Relative CAN networks and monitoring unit also have been designed. Main control panel of monitoring unit communicates

6、 with both charger and battery management system through the CAN networks. It controls charging methods of charger and uses serial interface to complete the communication with upper computer. The charging characteristics and mechanisms of lithium iron phosphate battery have been analyzed, and a larg

7、e number of charging experiments on a single cell and series of lithium iron phosphate battery have been completed. Based on these experiment results, a charging method about which the single cell upper limit voltage is constant based on fuzzy control has been proposed. The method can conduct overch

8、arge protection on each single battery. Taking into account of a single cell in the series charging, the inconsistency among batteries will gradually increase. In order to ensure the life of batteries, only reduce utilization of batteries. Equalization charging, as an effective way to reduce the inc

9、onsistency of batteries, balances the characteristics of batteries, thereby improving utilization of battery and significantly extends battery life. After analyzed many schemes about Equalization charging ，a balance scheme which first charging with the main charger, and then charging with a equaliza

10、tion charging module has been proposed. The main circuit, control circuit and the software module of equalization charging module has been designed. A test circuit also has been built, the experimental waveforms of equalization charging module in the experimental circuit have been given. Based on th

11、e experimental circuit, a experiment of charging a not being fully charged cell of batteries has been completed, which demonstrated the feasibility of this scheme. Keywords: Lithium Iron Phosphate Battery (LiFePO 4 ), Charging Experimental Platform, Charging Method, Equalization Charging Module 重庆大学

12、硕士学位论文 1 绪论 11 绪论 1.1 课题背景及意义 能源枯竭， 环境污染， 已经成为当前社会急需解决的问题。 随着汽车工业的不断发 展， 能源的过度消耗以及环境的严重污染， 迫使人们开始考虑发展新一代节能环保型汽 车。 发展电动汽车是解决能源危机和环境污染的最佳方案之一。 电动汽车是指以车载电 源为动力， 用电机驱动车轮行驶， 符合道路交通、 安全法规各项要求的车辆。 同燃油汽 车相比， 电动汽车极具吸引力： 无污染， 理论上可以做到零排放； 无内燃机的燃烧噪声 及活塞， 曲轴等部件的运动噪声， 运行时噪音低； 运行效率高， 适合城市工况下频繁启 动停车；使用的电能为二次能源，来源可以

13、多样化，如风力，水利，太阳能，潮汐能， 煤炭等。 对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点， 美国日本等发达国家都在 致力于电动汽车的研究， 我国科技部也制订了 863 电动汽车重大专项来加快电动汽车的 发展。 当然， 电动汽车的发展也存在许多需要解决和完善的问题。 动力电池是电动汽车的 核心能源， 但是目前许多动力电池存在比能量低下、 电池一次充电速度较慢、 电动汽车 续驶里程较短等问题。 同时， 电动汽车动力电池的充电方法和充电均衡性问题， 也一直 困扰着电动汽车的普及与应用。 针对这种情况， 对电动汽车动力电池的充电方法和均衡充电问题进行研究， 将具有 重要的意义和应用价值。 1.2

14、 磷酸铁锂电池特点与应用前景 电动汽车用动力电池要求具有高能量密度，高功率密度，循环寿命长，安全性好， 工作温度范围宽， 成本低， 绿色环保等。 所以动力电池必须向高能量密度， 高功率密度， 循环寿命长，安全性好，绿色环保等方面发展。 磷酸铁锂单节电池的性能： 终止充电电压上限值为 3.65V ， 终止放电电压下限值为 2.0V ， 标称电压为 3.2V ， 单位质量能量比为 6075 Wh/kg， 单位体积能量比为 220240 Wh/L 。磷酸铁锂电池具有如下优点： 超长的寿命：以磷酸铁锂为正极材料的动力电池，循环寿命可达 2000 次以上。 快速充放电：可以以 2C 大电流快速充放电。

15、使用安全：磷酸铁锂电池即使在最恶劣的 交通事故中也不会产生爆炸，经过 严 格的安全测试。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 耐高温：锰酸锂和钴酸锂电热峰值只能在 200 左右，而磷酸铁锂电池电热峰 值可达 350500。 重量较轻， 体积较小。 同等容量规格的磷酸铁锂电池的体积只有铅酸电池的 2/3 ， 重量只有铅酸电池的 1/3 。 1.3 充电方法研究现状 充电方法的发展过程非常漫长。 充电方法的发展受到电源技术， 电池制造技术以及 人们对电池特性的认知水平等方面的制约。 传统的充电方法主要有恒流， 恒压， 先恒流 后恒压等， 这些方法虽然控制比较简单， 容易实现， 但是存在着充电时间较

16、长， 方法单 一，易对电池造成伤害等缺点。 针对传统的充电方法的安全性能低下， 充电时间较长等缺点， 国内外提出了一些比 较新的充电方法， 如变阶段恒流， 脉冲充电， 变电流间歇等方法， 这些方法在提高充电 的效率， 减小电池充电的时间， 延长电池的使用寿命等方面取得了一些进步， 但是距离 市场应用还有一段距离。 目前磷酸铁锂动力电池组的充电一般都采用串联充电， 这主要是因为串联充电方法 结构简单、成本低、较容易实现。当前对磷酸铁锂电池组串联充电方法的研究还很少， 主要还是基于电池组端电压的传统充电技术和设备。 但由于单节磷酸铁锂动力电池之间 在内阻、 容量、 衰减特性等性能方面的差异， 在对

17、磷酸铁锂动力电池组串联充电时， 电 池组中容量最小的单节磷酸铁锂动力电池将最先充满电， 而此时， 其他电池还没有充满 电，如果继续串联充电，则已充满电的单节磷酸铁锂动力电池就可能会被过充电。 1.4 动力电池组均衡的必要性和均衡充电方法发展现状 目前动力电池技术仍是制约电动汽车发展的重要因素。 单节电池的电压和容量往往 不能达到电动汽车的使用要求， 因而需要将电池串联起来使用。 当一组电池中某几节电 池发生容量减小、 内阻变高等情况时， 整组电池的性能会快速恶化。 单节动力电池的循 环寿命通常可达到几百次甚至几千次，但是动力电池串联起来使用却很难达到这一水 平。 电动汽车运行的主要费用为动力电

18、池组更换所需要花费的费用， 为了降低电动汽车 运行的成本， 必须提高电池组的性能， 改善电池组各单节电池之间的不一致性， 延长电 池组的使用寿命。 电池组中各单节电池在长期使用过程中性能差异或不一致性造成的问题显得越来 越重要， 特别是这些不均衡现象不仅会使电池包容量变小， 甚至还可能会造成严重的过 充电、过放电等安全隐患。产生电池的不一致性的原因主要有以下几个方面 1822 ： 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 动力电池本身所存在的不一致性。生产工 艺、材质等的细微差异。在长时间 的 使用下， 各电池的材质老化速度不同步， 会使得单个电池的电压、 内阻、 容量产生较大 差异变化。 动力电池

19、充电过程所带来的不一致性。电 池充电时，容量小的电池总是会被 先 充满，但是这时电池组还在充电，那么容量小的电池就会过充，会发生不可逆的损坏， 从而使容量小的电池容量会进一步减小。 电池使用的过程中，使用环境的差异，如 温度、电路板的差异等都有可能造 成 各单节电池容量的不平衡。 动力电池放电带来的不一致性。电池在放 电的过程中，电池的容量越小电压 下 降得越快， 能量耗尽的时侯， 电池甚至有可能会出现反极性， 导致电池组的放电能力变 弱，过放电同时也会造成电池内部发生不可逆的化学变化，从而使电池容量减小。 电池组在串联充电的过程中， 虽然通过各单节电池的电流相同， 但是由于其容量不 同， 电

20、池的放电深度也会不同， 容量大的总会浅充浅放， 而容量小的总会过充过放， 因 此小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。 如果不进行均衡充电控制， 随着充放电循环次数的增加， 各单节电池电压会逐渐分 化。 由于一组电池串联在一起， 充电电压将由最小的单节电压来决定， 所以当一个电池 单节电压下降时， 整个电池组的使用效率会随之降低， 整个电池组的寿命也会大大缩减。 因此对电池组进行均衡充电， 对充分利用动力电池容量、 延长动力电池寿命有着突出重 要的意义。 均衡充电方案主要有能量耗散型和能量非耗散型两种。 能量耗散型方案是通过给各单节电池并联一个电阻进行分流放电从而实现均衡的。 由于低效高耗，

21、能量耗散型方案只适用于电流等级比较低的应用场合。 非耗散型的均衡充电方案主要是利用电感、 电容作为储能元件， 采取集中式或是分 散的电路结构来实现均衡充电的方案。 目前常见的非耗散型均衡充电方案有电流转向器 均衡，同轴多副边绕组变压器均衡，电容均衡等方案。 双向非能耗式电流转换器的方案从理论上讲可以实现电池组各单节电池之间的电 量均衡， 但在应用到实际的过程中会存在一些问题。 当电池组中单节电池数量较多的时 候， 如果一次只对其中一节电池进行均衡则均衡的时间会很长， 尤其在限制了充电时间 的条件下， 很难达到较好的均衡效果。 如果对多节电池同时进行均衡， 那么控制策略就 会变得特别复杂，很难实

22、现 26 。 同轴多绕组变压器均衡理论上可以实现电池组的充电均衡和放电均衡。 然而在实际 的应用当中， 当电压比较高、 电池组串联电池数量比较多的时候， 变压器的副边绕组就重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 会过多，从而使得变压器的设计变得比较复杂。副边绕组的一致性非常难控制, 同时同 轴线圈也还会耗散一些能量。 因此在现有技术和工艺的条件下， 实现通过同轴多绕组变 压器进行均衡的难度较大 28 。 电容均衡方案的缺点是均衡速度慢， 电路复杂， 多路开关的通态电阻、 高共模限制 都会影响均衡充电的实现。 另一方面， 针对不同的电源系统配置， 电路参数需详细的设 计与验证，参数选取比较困难，这对

23、研发周期是非常不利的 29 。 1.5 论文主要工作 论文以磷酸铁锂动力电池为研究对象， 对磷酸铁锂动力电池充电方法进行研究， 然 后对磷酸铁锂动力电池进行了单节电池和串联电池组的充电实验。 同时针对磷酸铁锂动 力电池组串联充电不均衡的问题设计了一种新型的均衡充电方案。 具体来说， 完成了以 下工作： 磷酸铁锂电池的充电特性和充电方法要涉 及许多物理化学的知识，论文在对 磷 酸铁锂电池充电特性和充放电机理的分析的基础上， 通过实验的方法对磷酸铁锂单节电 池和串联电池组的充电方法进行研究， 并采用了一种基于模糊控制的恒单节电池充电电 压上限值的串联充电方法。 动力电池的充放电是一个漫长的过程，要

24、 得到大量的实验结果需要耗费很长 周 期， 而不是通过计算机可以模拟的； 另外为了记录数据， 构造一个自动记录的装置也是 必需的。 此外， 电池充电过程需要根据充电方法对充电机的输出进行控制。 基于以上两 点，搭建了充电实验平台，设计了充电实验平台的 CAN 网络和充电监控单元，充电监 控单元主控制板与充电机和电池管理系统通过 CAN 网络通信，主控制板对充电机进行 控制， 并利用串口完成了上位监控程序与监控单元主控制板之间的通信。 监控单元上位 机记录充电信息，最后对记录的数据结果进行仔细的分析和归纳。 电池组的均衡充电方法也很多，但至今还 没有成熟的方法。论文对比目前提 出 的各种方法和思

25、路， 并在目前的技术条件下， 在均衡效果、 均衡时间和可实施性等方面 做出比较， 设计了一种新型的均衡充电方案。 该方案具有均衡效果好、 均衡速度快和可 实施性强等优点。 根据所设计的新型均衡充电方案，对均衡充电模块进行了设计。采用 DSPIC30F1010 控制器为主控芯片，设计了均衡充电模块的主电路和控制电路，并进行 了实验。 重庆大学硕士学位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 52 磷酸铁锂电池基本概念与特性 2.1 磷酸铁锂电池特性 磷酸铁锂电池是目前最好的大电流输出动力电池 3 ， 特别是在大放电电流放电、 放 电电压平稳、 安全上、 寿命上、 对环境无污染方面， 有着很大的优势。 可以

26、很好地满足 电动汽车对动力电池的要求： 容量大、 输出电压高、 充放电循环性能好、 输出电压稳定、 能大电流充放电、使用安全、无毒、对环境无污染。 图 2.1 是磷酸铁锂电池的内部结构图 1 。左边作为电池正极的是橄榄石结构的 LiFePO 4 ，通过铜箔与电池正极连接在一起，中间是聚合 物隔膜，通过它把电池的正极 和负极隔开， 锂离子 Li+ 可以通过它， 而电子 e- 不能通过， 右边电池的负极是以碳为材 料的，通过铜箔与电池的负极连接在一起。电池的电解质在电池的上下端之间。 图2.1 磷酸铁锂电池内部结构 Fig.2.1 LiFePO 4 battery internal structu

27、re 磷酸铁锂电池在充电的时侯， 锂离子 Li+从正极通过隔膜迁移到负极； 在放电的过 程中， 锂离子 Li+从负极通过聚合物隔膜向正极迁移。 锂离子电池的命名就是因为在充 放电时锂离子来回迁移而得到的。 重庆大学硕士学位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 6 磷酸铁锂电池充电电压上限值为 3.65V ， 放电电压下限值为 2.0V ， 标称电压为 3.2V 。 由于各个厂家在生产工艺上有所不同，同时在生产过程中采用的材料的质量也不尽相 同，因此各厂家生产的电池在性能上存在着一些差异。 磷酸铁锂动力电池的主要性能与其他可充电电池性能的比较如表 2.1 所示 4 。 表2.1 磷酸铁锂动力电池性能与

28、其他电池性能的比较： Tab.2.1 Lithium iron phosphate power battery performance and others comparison 镍氢电池 一般锂离子电池 锂离子动力电池 磷酸铁 锂电池 单位或测 试条件 工作电压范围 1.01.4 3.04.2 3.04.2 3.03.3 V 单位质量容量 80 180 130 130 mAh/g 单位重量能量 5060 90110 6075 6075 Wh/kg 单位体积能量 200220 280300 220240 220240 Wh/l 工作放电率 0.5 1 2 2 C 最大放电率 2 1.5 5 1

29、0 C 瞬间大电流脉冲 3 2 10 20 C (10s) 循环寿命 95% 500 次 1C 充电 2C 放电 安全 可能燃烧 可能燃烧、爆炸 可能燃烧、爆炸 不燃烧 零电压存储 30 天 泄露、损伤 泄露、损伤 泄露、损伤 无损伤 2.2 磷酸铁锂电池正极材料介绍 1997 年，美国德克萨斯州立大学的 Padhi 在 Goodenough 教授的指导下，发现结构 为橄榄石结构的 LiFePO 4 在约 3.5V 的电压平台范围， 0.05mA/cm 2 的扩充放电流密度下， 得到 100110mAh/g 的比容量，虽然只有其理论比容量 170mAh/g 的 60% ，但是都已经 非常接近当

30、时已作为商品化正极材料的 LiCoO 2 的放电比容量水平，并且它的充电曲线 和放电曲线都非常平坦，这一发现引起了国际电化学界的注意。 磷酸铁锂电池的原料对环境无污染， 来源也很广泛， 并且价格较为低廉， 同时材料 的热稳定性很好， 因此其安全性能突出， 使得其在电动汽车这种需要大型动力电源的场 合有着特别广大的前景，这些大型动力电源对材料价格、安全性及环保性能要求较高， 而对材料的体积比容量要求比较低， 使得 LiFePO 4 成为最具潜力的新一代锂离子电池正 极材料。 重庆大学硕士学位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 7 2.3 磷酸铁锂电池的结构及充放电机理 LiFePO 4 具有规则的橄

31、榄石型结构，其结构如图 2.2 所示。可以看到氧原子通过稍 微有点扭曲的六方紧密堆积的方式排列，Fe 处于氧原子八面体的 4c 位形成的 FeO 6 八 面体，Li 处于氧原子八面体的 4a 位形成的 LiO 6 八面体，P 位于氧原子四面体的中心位 置，形成 PO 4 四面体。LiO 6 八面体、FeO 6 八面体和 PO 4 四面体交替排列，形成脚手架 的层状结构。 通过共用顶点的一个氧原子使得相邻的 FeO 6 八面体连结构成 FeO 6 层。 Li + 在 4a 位形成直线链， 并平行于 c 轴， 从而使得 Li + 可以移动， 在充电的过程中可以嵌入， 在放电的过程中可以脱出，而 P

32、-O 共价键所形成的三维的立体化学键，使得 LiFePO 4 具有非常强的动力学和热力学的稳定性。 图 2.2 橄榄石型 LiFePO 4 的结构示意图 Fig.2.2 Schematic structure of olivine-type LiFePO4 LiFePO 4 作为正极材料的锂离子电池充放电反应机理如式(2.1) 和(2.2) 所示。在充电 和放电过程中参与电化学反应的只有两相: ：LiFePO 4 和 FePO 4 。 它 的充放电机理不同于 其它传统的锂离子电池的正极材料。 充电反应： ( ) 444 LiFePO xLi xe xFePO 1 x LiFePO + + (2

33、.1) 放电反应： ( ) 444 FePO xe xLi xLiFePO 1 x FePO + + + (2.2)可以看到， 磷酸铁锂电池的充放电反应是在 LiFePO 4 和 FePO 4 两相之间进行的， 充 电的时侯，Li+ 从 LiFePO 4 中脱出形成 FePO 4 相；放电的时侯，Li+ 嵌入 FePO 4 中形成 LiFePO 4 。在相互变的过程中铁氧配位的关系变化非常小 ，因此在脱嵌锂的过程中虽然 存在着物相变化， 但并没影响它电化学性能的体积效应产生。 这是该材料具有良好的循 环性能的原因之一。 除此之外， 二者在结构上的相似也是磷酸铁锂电池具有优异的循环重庆大学硕士学

34、位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 8 性能的主要原因。 2.4 磷酸铁锂电池的基本概念 2.4.1 电池容量 磷酸铁锂电池的容量就是其蓄电能力， 是电池最重要的性能之一， 通常用充足电的 磷酸铁锂电池电池在一定的放电条件下， 放电至蓄电池的端电压达到规定的放电终止电 压时，可以从蓄电池中获得的总电量来表示，其单位为安时(Ah) 。 如果磷酸铁锂电池恒流放电， 即放电电流为一恒定值， 它的容量为放电电流与放电 时间的乘积，即： dis dis dis CIt = g (2.3) 式中， dis I 为放电电流 （A ） ， dis t 为放电时间， dis C 为磷酸铁锂电池的放电容量 （Ah

35、） 。 如果放电电流随着放电时间不断变化，则磷酸铁锂电池的容量要通过积分来计算， 即： 0 t dis dis CI d t = (2.4) 式中， dis I 为放电电流（A ） ， dis t 为放电时间。 电池在充电时，其充入的能量可按式(2.5) 计算： 0 t ch ch CI d t = (2.5) 式中， ch I 为充电电流（A ） ， ch t 为充电时间。 根据需要，磷酸铁锂电池的容量可分别用理论容量、额定容量与实际容量表示。 理论容量是根据活性物质的数量， 按照法拉第定律和磷酸铁锂电池的电池反应计算 求得的。 额定容量是在设计和制造磷酸铁锂电池时， 规定或保证电池在规定的

36、放电条件下放 出的电量应该达到的最低限度值，是用户选购磷酸铁锂电池的重要依据。 实际容量是指磷酸铁锂电池在一定的放电条件下实际放出的电量。 理论容量只具有理论指导意义，额定容量和实际容量总是低于理论容量。 2.4.2 电池荷电状态（State Of Charge-SOC） 蓄电池的荷电状态(SOC) 用来反映蓄电池的剩余容量，其数值上定义为蓄电池剩余 容量占其总容量的百分比： R sum Q SOC Q = (2.6) 式中， Q R 为电池在当前条件下还能输出的容量( 剩余容量) ， Q sum 为电池在当前条件重庆大学硕士学位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 9 下所能放出的最大容量。 如果

37、将电池充满电状态定义为 SOC=1 ，且有: sum R QQQ = + (2.7) 式中，Q 为电池己放出的容量，则(2.5) 式可写为: 1 sum Q SOC Q = (2 .8 ) 2.4.3 放电深度 放电深度是指蓄电池放出的容量占其能输出总容量的百分比。 sum Q DOD Q = (2 .9 ) 1 DOD SOC = (2 .1 0 ) 2.5 磷酸铁锂电池的充电特性 磷酸铁锂动力电池由于具有较高的安全性、 很好的循环性能等优势， 已经基本能满 足电动车特别是纯电动轿车的要求， 工艺上也基本具备了大规模生产的条件。 然而， 磷 酸铁锂电池的性能与其他锂离子电池存在着一定的差异，

38、 特别是其电压特征与锰酸锂电 池、钴酸锂电池等不同 5 。图 2.3 是磷酸铁锂电池的充电曲线与锂离子脱嵌对应关系的 比较： 图 2.3 磷酸铁锂电池锂离子脱嵌与充电曲线对应关系 Fig.2.3 LiFePO 4correspondence between lithium ion deintercalation and charging curve 重庆大学硕士学位论文 2 磷酸铁锂电池基本特性 10从图 2.3 的曲线不难看出， 磷酸铁锂电池在快达到过充电电压上限值时， 锂离子几 乎完全从正极脱嵌到负极， 电池端电压会快速上升， 出现充电曲线的上翘现象， 这样会 导致电池很容易达到过充电保护

39、电压。 对磷酸铁锂电池采用恒电流与恒电压相结合的方法。 当电池先以恒电流充电时， 电 池电压随时间升高，一旦电池电压达到 3.65V 时，即转为恒定 3.65V 电压下继续充电。 在恒定电压下， 充电电流随时间下降， 当电流下降至一定数值时， 即可停止充电， 并视 为充电完成。 选择上述充电方法是由磷酸铁锂电池本身的固有特性所决定的， 因为磷酸 铁锂电池不具有水溶液电解质蓄电池中常有的过充电保护机制。 一旦过充电， 不仅在正 极上由于脱嵌过多锂而发生结构不可逆变化， 负极上可能形成金属锂的表面析出； 而且 可能发生隔膜的分解反应等副反应。 由此导致电池循环寿命的急速衰减。 因此， 可知磷 酸铁

40、锂电池的充电特性和充电控制是必须予以特别了解与重视的问题。 2.6 本章小结 本章首先对磷酸铁锂电池特性、 正极材料以及基本概念进行了介绍。 然后对磷酸铁 锂电池的充放电机理和充电特性做出了分析， 为下一步研究磷酸铁锂电池的充电方法提 供了理论基础。 重庆大学硕士学位论文 3 磷酸铁锂动力电池组实验平台的设计 113 磷酸铁锂动力电池组充电实验平台的设计 3.1 充电实验平台的总体结构 充电实验平台由电池管理系统、 充电机和监控单元组成。 充电机接 220V 交流电输 入，利用充电机对 16 节磷酸铁锂动力电池串联组成的电池组进行充电。电池管理系统 采用分布式结构， 对电池组内每节电池的单节电

41、池电压、 温度进行采集。 监控单元主控 制板与电池管理系统和充电机实现 CAN 通信，除了记录各单节电池的电压、温度信息 和充电机输出电流电压信息， 同时控制充电机的充电曲线。 通过串行通讯口， 监控单元 主控制板还完成与上位 PC 机的通讯， 实现上位控制界面下的监控和数据存储。 充电实 验平台的结构图如图 3.1 所示。 CAN收发器 电池1 充电 机 CAN 收发器 上位 机 串口通 信 120 120 CANH CANL CAN 通信 CAN收发 器 电池16 单节电池 管理系统 单节 电池 管理 系统 监控单元 主控制板 图 3.1 充电实验平台总体结构 Fig.3.1 Overal

42、l structure of charging experimental platform 3.2 充电机 磷酸铁锂动力电池充电方法实验采用杭州铁成公司生产的型号为 TCCH-72-25 的充 电机。 该充电机是根据电动车辆设备用动力电池的充电需求而专业设计生产的， 采用国 外先进的软开关技术， 具有密封防水、 无风扇、 体积小、 安装方便、 转换效率高、 输出 电流稳定、 可靠性高、 寿命长等特点， 具有反接保护、 短路保护、 低压保护、 过压保护、 过热保护等保护功能。适合铅酸、锂电池等各种蓄电池充电。充电模式灵活、可编程。重庆大学硕士学位论文 3 磷酸铁锂动力电池组实验平台的设计 12

43、具有 CAN 通信接口，可以和带 CAN 总线的设备实现实时通信并可根据用户需求定制 充电曲线。充电机、磷酸铁锂动力电池组与电池管理系统连接如图 3.2 所示。 充电机技术指标如下： 额定输入电压：AC85V AC265V 额定频率：45 65 Hz 功率因数：0.98 满载效率：93 输出电压最大值：72V 输出电流最大值：25A 图 3.2 充电机与磷酸铁锂动力电池组 Fig.3.2 Charger and lithium iron phosphate battery packs 3.3 电池管理系统 电池管理系统采用分布式结构，检测磷酸铁锂动力电池组各单节电池的工作状态： 包括单节电池的

44、电压、温度等信息，将检测到的信息通过 CAN 总线上传到监控单元主 控制板，达到实时监测各单节电池状态的目的，管理电池组的工作情况，避免过放电、 过充电和过热，以便最大限度的利用电池的储存能力和循环寿命。 3.3.1 单节电池电压采样设计 在单节电压采样设计中， 考虑成本和精度要求， 每个单节磷酸铁锂动力电池的端电 压经分压电阻 R 1 和 R 2 后从微控制器的 AD 采样引脚采集进来，然后再进行 A/D 转换， 进行电压检测。具体的单节电池检测单元的电压检测模块硬件电路如图 3.3 所示。 重庆大学硕士学位论文 3 磷酸铁锂动力电池组实验平台的设计 13 R 1 R 2 AN2 VIN C

45、 1图3.3 电压检测电路图 Fig.3.3 V oltage Detection Circuit 3.3.2 单节电池温度采样设计 在温度采样设计中， 每个单节电池检测单元里面都含有一个温度检测模块， 对每节 单节电池的温度进行检测， 确保其工作在安全的温度范围。 在温度检测模块里面， 本设 计采用的是负温热敏电阻， 将温度信号反映为电压信号， 通过检测热敏电阻上面电压的 变化得出电阻的变化， 最终得到温度的变化。 如图 3.4 所示， 为本电池组检测系统单节 电池检测单元的温度检测模块的具体硬件电路图。 在图中：V ref 为基准电源，R T 为热敏 电阻，R 3 为参考电阻，随着温度的变

46、化，R T 的阻值发生变化，AN3 上采集到的电压也 发生变化，微控制器采集电压的变化就可以得到对应的实时温度值。 Vref AN3 R 3 R T C 3图 3.4 温度采样电路图 Fig.3.4 Temperature sampling circuit 3.3.3 CAN网络接口设计 电池管理系统采用 dsPIC30F4012 为主控制器。 dsPIC30F4012 控制器具有一个 CAN 模块。 模块实现的是完整的 CAN 系统， 可支持的协议有 CAN 1.2 、 CAN2.0A 、 CAN 2.0B Passive 以及 CAN2.0B Active 版本。 在 CAN 网络接口设计

47、中 CAN 收发器 MCP2551 与 控制器 dsPIC30F4012 的 CAN 模块连接电路间加上了一片磁耦合隔离器件 ADUM1201 ， 可以起到抗干扰的作用。CAN 网络接口模块的硬件电路图如图 3.5 所示。 重庆大学硕士学位论文 3 磷酸铁锂动力电池组实验平台的设计 14 VCC CANRX CANTX GND +5_CAN +5_CAN CANRXD CANTXD GND_CAN GND_CAN R21 47K GND_CAN ADUM1201ARZ MCP2551 VDD1 VDD2 VOA VIA VIB VOB GND1 GND2 VCC VREF RXD TXD GN

48、D CAN_H CAN_L RS CAN_H CAN_L GND_CAN +5_CAN R22 120 J3 1 2 3 4图 3.5 CAN 网络接口电路图 Fig.3.5 CAN Network Interface Circuit 3.4 监控单元设计 3.4.1 监控单元主控制板控制芯片 图 3.6 监控单元主控制板 Fig.3.6 Main control board of monitoring unit 监控单元主控制板如图 3.6 所示。监控单元主控制板采用微芯公司生产的 dsPIC30F6014 为控制芯片，dsPIC30F6014 数字信号控制器 （DSC ） 是单片嵌入式控制

49、 器， 它集成了单片机 （MCU ） 的控制功能以及数字信号处理器 （DSP ） 的计算能力和数 据吞吐能力， 运算速度可达 30 MIPS， 配备自编程闪存， 并能在工业级温度和扩展级温 度范围内工作。以 16 位单片机为核心的 dsPIC30F6014 数字信号控制器不仅具有功能 强大的外围设备和快速中断处理能力， 又融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器重庆大学硕士学位论文 3 磷酸铁锂动力电池组实验平台的设计 15 功能。dsPIC30F6014 的 CPU 模块采用 16 位（数据）改良的哈佛架构，并带有增强型 指令集包含对 DSP 的有力支持。CPU 拥有 24 位指令字， 指令字带有长度可变的操作 码字段。程序计数器（PC ）为 24 位宽，可以寻址高达 4M24 位的用户程序存储器空 间。 单周期指令预取机制用来帮助维持吞吐量并提供可预测的执行。 配备 144K 字节增 强型闪存及 8K 字节静态 RAM ，8K 字节 EEPROM ， 能