SSB蓄电池电单车锂电池蓄电池电源管理系统设计

2026-01-20 16:29:51

摘要：电池作为当代社会里使用极为广泛的能源种类之一，其在为我们供给各类能量之际，还能够给人类带来极大便利。然而，伴随人们生活水准持续提升以及对环保观念的强化，在能源与环境这双重难题的状况下，怎样去提升电源系统的充放电效率，进而达成节能减排的目标，这是值得深入思索的 。设想一种为本设计的电单车锂电池蓄电池所构建的管理体系，期望能进一步提高电源充放电效率，达成快速充电效果，搭建电池模型用于分析电单车锂电池蓄电池电源管理系统，进而提出锂电池蓄电池均衡控制策略，达成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

在电池范畴内，锂离子动力电池属于获较多应用的新型能源，其拥高能量密度、低电压输出以及长使用寿命等特性。但传统燃料汽车于实际运用推进里，有着充电速率迟缓、工作效能欠佳且难以贴合车辆较大用电demand多个状况。蓄电池身为二次电池成为直流系统中之不可或缺设备，于变电站获广泛应用，其的使用优势在于放电后，可借充电手段令内部活性物质再生---将电能储备为化学能，需放电时再度把化学能转变成电能 。^[1]本文针对锂电池蓄电池，设计了一款具备智能控制功能的电单车电源系统，该系统以锂电池作为对象，运用锂离子当作主要化学传感器，进而达成电能与电量检测的目的。借助双电平衡原理，对设备电源进行升压、升流降操作，以此实现监测电池工作状态的目标；与此同时，此方法在充电结束后能够实施保护举措，当负载断开之时，会自动切断电源供电。^[2]借助锂电池与蓄电池各自优势的引领，本文期望达成电单车电源系统充放电效率的提升，进而提高电源的使用效率，同时满足新时代双碳建设目标，最终实现节能减排的目的。

1锂电池蓄电池电源管理系统技术方案

1.1系统结构

该电单车锂电池蓄电池电源管理系统于此次设计中的结构构成是，由单片机控制模块、负载模块、锂电池模块一同构成的，还有充放电模块以及蓄电池组模块这些部分，总共是这五大结构组成 。^[3]基于单片机达成双电源性的巧妙智能控制，对外部电源作实时监测，进而调整蓄电池的充电状况，一旦蓄电池模块电量抵达预定数值，在这个时候，单片机借由智能控制的办法控制继电器切断充电电源，并且操作蓄电池模块朝锂电池模块展开充电。当锂电池模块充满电量后，系统于此刻自动断开电路，以锂电池以及蓄电池供电的形式，驱动系统负载电路运转 。^[4]。

1.2锂电池模块

电单车运行时，鉴于其运行需要，一块电池板通常由几百节电池单体构成，锂离子电池是当下电单车电池系统的主要选用类型，锂离子电池具备工作寿命久、安全性良好、可靠性突出以及自放电率高等优点 。^[5]电单车在运行时，于复杂工况里，要是仅仅简单凭借传感器来达成电池荷电状态的判定，其实时性以及准确性是难以保证的。要确定最终的荷电状态，就得依靠电力模型去反映电池实际的动态性能特点，并且要考虑到模型计算的准确性与复杂性。就拿等效电路模型来讲，它主要是在运用电感、电容、电流源、电压源的基础上，依照不同的组合方式来展现电池内外部工作特性。^[6]。

1.3蓄电池模块

锂电池蓄电池电源管理系统里，核心的那一部位是蓄电池模块，蓄电池模块核心设计要点有两部分，一部分是蓄电池充放电模块的设计，另一部分是蓄电池组模块设计。

1.3.1蓄电池充放电模块

蓄电池的充放电效率，跟充放电功率相关，和充电最大电压有关，且与放电深度有联系，还同串联等效电阻等存在关联 。^[7]本次进行设计的锂电池蓄电池电源管理系统，采用恒电流模式去实现充电，依据实际需要来选择5V/1A规格的电源达成蓄电池单体充电，该蓄电池的规格是3V、150F，并且每次充电的时长为80s。选取蓄电池当作锂电池蓄电池电源管理系统的储能元件，为让蓄电池模块使用起来安全，首先在系统里接入DC/DC变换器，接着把蓄电池接入供电电路当中。充放电之时，蓄电池那里，会出现电容电压明显波动的情况，鉴于此，在设计蓄电池充放电模块之际，接入DC/DC变换器，以此来达成稳定电容电压的目标。此次锂电池蓄电池电源管理系统设计所采用的DC/DC变换器是SP1208芯片，该芯片的优势在于电压稳定，它是一款高效率的直流稳压升压芯片，其最高电压可达28V，允许通过的最大电流是2A。并且SP1208芯片具备过热保护、短路保护等功能，适合用于本次电路设计的需求。

1.3.2蓄电池组模块

仅单个蓄电池器出现的电压值，仅仅只有3V，这般情况远远无法达到电源系统储能模块所设定的设计要求。针对锂电池蓄电池电源管理系统开展相应设计时，在本文之中，会把多个蓄电池器组合起来成就蓄电池组，以此来解决系统储能方面的需求。当诸多蓄电池器进行串联之际，其内部参数存有较大偏差，像是电池容量偏差、漏电流以及ESR不一致等问题的存有，致使蓄电池器充电电压并不一致。本次设计里，为使锂电池蓄电池电源管理系统内部充电电压保持一致，以平衡内部参数，故而设立平衡电压电路，且将其应用于各个单体蓄电池器上。普通电容器一般与电源相连，其发生的漏电流状况能够忽略不计，在串联电容器时，无需设计平衡电路，仅需于普通电容器两端加上电阻就行，依照并联电阻的方式达成分流的目的 。^[8]。然而就蓄电池组来讲，一旦发觉显著的漏电流状况，将会对储能元件的储能成效产生影响，致使系统电能损耗过度。所以，针对锂电池与蓄电池构建的锂电池蓄电池电源管理系统，蓄电池组的组建应当达成以下几点：其一，鉴于直流母线电压偏高，单体蓄电池的电压相对偏低，这时需对蓄电池进行串并联，这不但加大了系统建设成本，怎样保证系统均压均流也愈发繁杂。其次，一般情况下，蓄电池两端所具有的最大耐压数值，是在百分之五十至百分之百的这个范围之内进行变化的，一般而言，蓄电池组所储备的能量通常会达到百分之七十五上下 。

1.5充电芯片

随着锂电池蓄电池电源管理系统设计需求的出现，在这样的情况下对于本文而言，选择了诸如TP4056这样的充电电路芯片。TP4056具有恒电流与恒电压有关的电路线性控制优势。TP4056底部配备散热片和少量外部元件，这使得它能够广泛应用于便携式电源领域。TP4056在USB电源以及适配器电源环境下能够稳定运行。与此同时，TP4056内部有防倒充电路以及MOSFET结构，所以不需要在芯片外部额外添加隔离二极管。充电芯片具备的热反馈效应，能够调动储能元件的充电电流，当充电芯片的温度出现升高情况时，或者当需要开展大功率的操作时，便可以对芯片的工作温度予以调节。储能元件有着工作电压为4.2V，它充电的实现得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，对应的充电电流跟初始电流值比下降到10%，这时充电芯片就停止充电工作；储能元件停止充电后，充电芯片自动调整充电电流模式，降为低电流充电模式，此时系统漏电流下降到2μA以下；就算这时系统还连着电源，可充电芯片处于停机状态下，对应的供电电流最低能到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

在锂电池蓄电池电源管理系统投入使用的进程里，鉴于锂离子电池跟蓄电池器存在不一致性，因而存在诸多差异。其一，是开路电压差异，此差异的显现需于电池处于放电进程时测量开路电压情形，还要跟原始的开路电压予以比较。其二，为容量差异，在运行之际，能够反映电池容量变化的数据是。值，然而于存储进程里，鉴于电池存在不一致特性，由此致使电池实际可使用的容量产生较大变动，进而令锂电池蓄电池电源管理系统的使用时长被缩减 。^[10]的。（3）有SOC差别。SOC被此在电池剩余容量跟可用容量的方面给直接影响着，一旦电池存在可用容量出现变化的情况，那么SOC这个（表述数值）就将会因此与之相应地产生变化这状况，进而致使了无法全然地实现施行发挥电池既有的容量。在正式对SOC进行估计之前需要做出明确电池模型的行为动作来知晓了解晓得电池基本性能是什么样的情况，在等效这一模型的基础之上对于电池SOC值进行有效估计 。

本文用以等效电路模型如图所示，借助等效电路能够更为良好地监测锂离子电池开路电压特性、极化电阻数值、电容数值等，借此知晓电池状况，模拟电池的外部特性，图中 。是欧姆内阻，是开路电压，极化内阻，是极化电容，应用这个模型，能够展现出电池输入电压实际的变化情形，并且展现电池特性的改变。

图1电池模型

SOC是剩余电量与标定容量之间的比值，处于一定放电倍率的相同工况情形下，它能够被表示为。

（5-1）

式中：电池剩余容量，电池标定容量。

以安时积分法而言，借助电流于时间方面的积分，进而判定电池充电以及放电时的电流变化 。借助安时积分法来开展计算，在实际计算充电或者放电进程里，针对电流的变化量，于扣掉原本存在的基础电流量以及标定电容量比值的情形下，便可确定当下电池SOC的变化量，其表达形式为。

（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

要想去获得那电池的OCV - SOC曲线，乃是须要针对那电池开展脉冲实验的，而这实验的步奏情况如下。先是要把电池给充满，然后让它空置3个小时 ，等到电池的温度恢复到室内温度之际，就要去记录下电池的开路电压值。接着呢，在处于一个脉冲放电周期的条件状况下，选用3 A恒流的状态把电池持续放电180秒，于此过程记录此时电池的电压值。放电结束完成之后，要把电池静置两个小时。当电池恢复到正常条件的时候，再去记录电压值。之后重复这些步骤，在设定好的时间范围之内测定经历周期性脉冲放电和静置的状态。最后记录下放电过程之中的所有参数数据。

基于得出测量结果这一情况，于MATLAB软件之上作出OCV-SOC曲线,脉冲放电电流、电压呈现如2图所示的状态，得出的OCV-SOC曲线呈现如3图所示的情形。

图2 电池脉冲放电实验

图3 OCV-SOC拟合曲线

在二阶PC模型电路结构的那种基础之上，去开展离线参数的计算。从OCV - SOC拟合曲线的结果来看，是伴随着SOC值的增加的情况；当SOC容量处于大概70%的时候，锂离子进出受到阻碍，数量众多的锂离子被阻挡在外部，致使短时间内的极化内阻增大。在这个时候，电池等效参数就会依照电池运行状态的改变而改变。

2.3结果分析

从模型以及参数设计的角度而言，借助蓄电池来达成电单车锂电池蓄电池电源管理系统的设计，采用经由外部电源设备供电的途径，在具备自带升压模块的基础之上，使外部电源实现升压，并且最大输入电流同样提升至5A，最大电压能够达到12V。通过运用锂电池蓄电池电源管理系统，在升压结束后马上给蓄电池充电，这时大量电荷进入蓄电池，当设备充满电后，就会自动切断外部供电，蓄电池也会缓缓放电，进入到锂电池当中。当蓄电池放电致使低压处于低于4V 的状况时，此时，DC 升压模块就会达成输出电压实施升压的操作，随后，蓄电池的电量会全部朝着释放完毕的方向进展，进而，充电效率能够获得提升。

3锂电池蓄电池电源管理系统电池均衡控制策略

在由蓄电池和锂离子电池一同构建起来的锂电池蓄电池电源管理系统里头，电容均衡电路主要是以电容作为元件，把能量储存于电池单体内部，并且达成富能电池与亏能电池之间的转移，从而实现能量均衡的目标 。^[11]。于均衡原理的情形下，可以划分成单电容均衡电路与多电容均衡电路。单电容均衡电路的运用，在若干BMS控制开关实施把控的状况下，使得处于高电压状态的电池单体把能量朝着低电压的电池单体进行移动，在能量转换的进程当中，以此来保证各个电池单体的平衡，达成能量均衡。多电容均衡电路的情形下，运用相同的开关达成电池单体能量从高到低的转移。固定分流电阻均衡法是在电池组里对应的电池单体上并联一个阻值相同的分流电阻。处于均衡阶段时，电压较高的电池单体，会流经并联分流电阻，并且其所经过的电流大，整体放电的速度，会比电池单体自身的放电速度还要快，以此在高电压的基础之上，实现单体的快速放电，最终达到均衡管理的目的。

退役动力电池中，容量不一致问题普遍存在，不管是串联还是并联，都有发生容量衰减的可能。所以，对退役动力电池组进行估算时，要把整个模块当作一个整体来估算。把不同可用容量的单体电容器串联成一个蓄电池组，充电时，因受电容组最大容量电池和最小容量电池的限制，最小容量电池充电完成后，若继续给电池组充电，就可能出现过度充电现象，致使电池内部损坏 ，进而影响电池的使用寿命。在进行放电这个过程当中，因为放电同样会受到电池最大容量以及最小容量的作用影响，当最小容量的电池完全完成放电之后，就有可能会出现过度放电这种状况，进而致使电池组遭到损坏。所以说，要想去考虑蓄电池组的安全使用方法，就需要做好耐久性管理工作。

4总结

综上所述，在能源问题以及环境问题这两个发展障碍的情形下，要将可再生新能源以及相关材料运用好，而蓄电池器作为一种新型储能装置，有着良好的应用优势，并且陆续在电单车领域、电网发电领域以及能源等诸多领域里达成广泛应用。本文依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，用以达成快速地充放电，并且驱动负载电路。