一种基于碳化硅二极管的锂电池管理与防护系统

本发明涉及一种基于碳化硅二极管的锂电池管理与防护系统，属于锂电池与半导体。

背景技术：

1、碳化硅(sic)雪崩光电二极管(apd)是一种高性能的光电探测器，它利用雪崩倍增效应来提高光信号的检测灵敏度。与传统的硅基apd相比，sic apd具有更宽的禁带宽度和更高的热稳定性，使其在极端环境下也能保持出色的性能。sic apd的工作原理基于雪崩倍增效应，即在高反向偏压下，载流子在耗尽区中获得足够的能量，通过碰撞电离产生更多的电子-空穴对，从而实现信号的放大。这一过程可以显著提高探测器的增益，使其在低光信号检测中具有优势。sic材料的高热导率和高击穿电压特性，使得sic apd能够在高温和高电压下稳定工作，这在航空航天、军事和工业检测等领域尤为重要。此外，sic apd还具有快速响应时间和低暗电流，使其在高速光通信和光子计数等领域也有广泛的应用。随着sic材料制备技术的进步和器件设计的优化，sic apd的性能得到了显著提升。目前，sic apd已经被应用于光通信系统中的信号放大和检测，以及在生物医学成像、环境监测和空间探测等领域的高精度光电检测。

2、而锂电池管理是确保电池系统安全、高效和长寿命运行的关键技术。随着锂电池在便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域的广泛应用，电池管理系统(bms)的重要性日益凸显。bms的主要功能包括电池状态监测、充放电控制、热管理、均衡控制和故障诊断。首先，bms需要实时监测电池的电压、电流、温度和容量，以评估电池的健康状况和剩余电量。其次，bms通过控制充放电过程，防止电池过充和过放，从而延长电池寿命。此外，bms还需要管理电池的温度，防止过热导致的安全问题。均衡控制是bms的另一个重要功能，它通过调整单体电池之间的电压差异，确保电池组的一致性和均衡性。这有助于提高电池组的整体性能和寿命。故障诊断功能则可以实时检测电池的异常情况，如短路、过热等，并采取相应的保护措施。随着技术的发展，bms的设计越来越复杂，集成度越来越高。现代bms通常采用先进的算法和硬件，如微控制器、传感器和通信接口，以实现更精确的控制和更高的智能化水平。

3、锂电池通常能量密度较高，若使用不当会存在爆炸、着火等隐患。因此，良好的bms应具备对上述危险的防护功能。而现有的bms系统很少具有esd保护、火花监测等防护功能。sic apd等光电二极管具有良好的光敏特性，可将其用于检测锂电池的工作状态，进而对电池进行安全保护。

4、目前，常见的soc估计算法大体上可分为安时积分法、开路电压法、滤波法、神经网络法等。安时积分法为最简单的soc估计方法，其对电池的电流进行时间上的积分以得到电池的soc，方法简便，但存在初值不定，误差会随时间放大的缺点。开路电压法基于电池开路电压与soc的一一对应关系，从电池的端电压出发计算得到电池的soc，然而这种方法估计精度与其开路电压的计算准确度有关，通常估计精度较低。神经网络方法将电池的充放电数据输入神经网络以估计电池当前的soc，精度较高，但是算法需要的数据存储量与计算量较大，不适用于bms系统的嵌入式硬件平台，且神经网络模型的可解释性较差，难以对异常结果进行错误定位。卡尔曼滤波方法从电池的等效电路模型出发，使用扩展卡尔曼滤波算法估计电池的soc，该方法具有计算复杂度适中，精确度高等优点，已被广泛使用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于碳化硅二极管的锂电池管理与防护系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于碳化硅二极管的锂电池管理与防护系统，包括：

4、锂电池组：用于给系统与用电设备供电；

5、arm/fpga模块：为arm及fpga，用于向其他模块接收或发送信号或指令，判断系统状态

6、温度传感模块：包括温度传感器及第一adc，温度传感器用于测量锂电池组中各节锂电池表面温度，并通过第一adc将模拟信号转化为数字信号发送给arm/fpga模块；

7、锂电池管理芯片：用于接收arm/fpga模块的控制命令，以配置寄存器的方式对锂电池组进行控制；

8、上位机模块：用于对arm/fpga模块收发指令，以便用户实时对系统进行干预操作；

9、串口与总线通信模块：用于在arm/fpga模块与锂电池管理芯片之间、arm/fpga模块与上位机之间进行通信与数据传输；

10、apd模块：包括第一apd，所述第一apd反接于锂电池组与用电设备之间，且第一apd阳极接地gnd；

11、所述第一apd其反向击穿电压需满足：当锂电池组两端电压大于等于阈值电压时第一apd被反向击穿，锂电池与用电设备间的电流旁路到gnd。

12、上述技术方案中，进一步的，所述系统还包括二极管滤波模块，所述二极管滤波模块包括第二apd、滤波电路及第二adc，所述第二apd的两端连接所述滤波电路，滤波电路的输出通过第二adc连接至arm/fpga模块。

13、进一步的，所述系统还包括火花监测模块，所述火花监测模块包括第三apd、跨阻放大器、第三adc，将第三apd两端用绝缘线固定或贴近于锂电池表面，并使其正级接地，负极连接跨阻放大器的负极输入端，并将跨阻放大器连接到第三adc，第三adc连接到arm+fpga控制器。

14、进一步的，所述跨阻放大器的放大倍数大于等于10倍，用于将光信号产生的高电压放大至可供第三adc读取大小的电压，并通过第三adc读取后发送至arm/fpga模块，若该电压大小存在瞬时升高，则表明锂电池组由于某些异常产生了火花，则arm/fpga模块发送指令控制锂电池组开关关闭，切断锂电池组供电。

15、进一步的，所述的arm/fpga模块中内置有soc估计算法，所述soc估计算法为基于温度修正的扩展卡尔曼滤波soc估计方法。

16、进一步的，所述的方法具体包括：

17、将被识别并经过温度修正后的参数带入由二阶rc等效电路模型确定的扩展卡尔曼滤波的状态方程中，并通过扩展卡尔曼滤波的经典迭代方程确定当前时刻的系统状态量，进而从状态量中分离得到当前时刻的电池soc。

18、进一步的，滤波前的参数识别和修正方法包括如下：

19、在不同温度下对锂电池组进行脉冲实验，将实验数据带入递推最小二乘法中，确定不同温度下的锂电池组的模型参数；

20、对不同温度下的锂电池组进行最大容量、开路电压与容量关系测试，确定不同温度下锂电池组的最大容量与开路电压-电量曲线；

21、利用线性插值法分别对所得测量参数进行修正。

22、进一步的，所述由二阶rc等效电路模型确定的扩展卡尔曼滤波的状态方程如下：

23、xk+1＝axk+buk+wk

24、yk＝cxk+duk+vk

25、其中xk是系统的状态变量；uk为系统激励；yk是系统的观测变量；wk和vk分别表示系统的过程激励噪声和观测噪声；根据二阶rc模型的状态空间方程，能求得状态变量xk、系统激励uk与矩阵a、b、c、d分别为：

26、

27、

28、

29、

30、

31、δt为卡尔曼滤波每次迭代的时间间隔，cn为电池的最大容量，η为电池的库伦效率，r0为电池内阻，r1、c1为模型中的极化电阻、极化电容，r2、c2为模型中的扩散电阻、扩散电容，u1为模型中第一个rc环节两端电压，u2为第二个rc环节两端电压，i为锂电池的放电电流，下标k表示第k次迭代的对应值。

32、本发明的有益效果是：

33、本发明通过利用碳化硅二极管的单项导通、光敏等特性，在传统的锂电池管理系统上接入了数个碳化硅二极管，使其实现esd保护、滤波、火花检测等功能。esd保护与火花检测能有效监测高电压、电池火花等异常现象，并及时防护避免对系统造成危害，同时滤波功能能有效地将系统含有交流分量的电信号转为直流电。本发明提出的温度修正的扩展卡尔曼滤波估计锂电池soc的算法能在600次迭代后达到收敛，且使用参数修正算法在迭代收敛后的soc估计精度达到0.5％以上，且相比于未使用参数修正的方法精度提高了0.2％。