鋰離子電池組監控系統研究與實(shí)現 — 鋰離子電池監控系統基礎研究

　　2.1鋰離子電池技術(shù)

　　鋰是世界最輕的金屬，是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，它所構成的電池具有非常多的優(yōu)點(diǎn)：

　?、鸥呷萘?，高密度。鋰電池的輸出電壓近4V，是單節鎳鎘、鎳氫電池的3倍，能夠比鎳氫電池存儲更多的能量;

　?、瞥叽缧?，重量輕;

　?、菬o(wú)記憶效應。鋰電池不需要定期放電，不管殘余電量多少，都可以進(jìn)行充電，非常方便;

　?、茸苑烹娐市?，循環(huán)壽命長(cháng)。鋰電池自放電率為每月2%~5%，而鎳鎘，鎳氫等電池自放電率達到20%;

　?、沙浞烹妷勖L(cháng)。經(jīng)過(guò)500次重復充放電后，其容量至少相當于新電池的70%以上。鋰離子蓄電池是綠色蓄電池，不會(huì )因廢棄造成污染，雖然目前價(jià)格比較貴，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步以及生產(chǎn)規模的擴大，仍有較大降價(jià)空間。

　　鋰電池是當今各國能量存儲技術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要集中在大容量、長(cháng)壽命和安全性三個(gè)方面的研究。鋰電池中，鋰離子在正負極材料晶格中可以自由擴散，當電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復運動(dòng)以傳遞電能。

　　但是鋰電池也有其自身的缺點(diǎn)，鋰電池在使用過(guò)程中，易受到過(guò)充、過(guò)放和短路等現象的影響，從而產(chǎn)生損害。其電池的充電電壓必須進(jìn)行嚴格限制。最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續放電則會(huì )損壞電池。鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進(jìn)行充電。采用大電流充電至4.2V時(shí)，充電器應立即轉入恒壓充電，充電電流逐漸減小。為避免過(guò)充電或過(guò)放電，鋰離子電池不僅在內部設有安全機構，充電器也必須采取安全保護措施，以監測鋰離子電池的充放電狀態(tài)，因此鋰電池需使用專(zhuān)用的充電器。另外，鋰電池價(jià)格比較昂貴，影響鋰電池的應用。

　　2.2鋰離子電池特性

　　鋰離子電池的主要工作特性：

　　2.2.1鋰電池的充電特性

　　電池的充電過(guò)程是一個(gè)復雜的電化學(xué)變化過(guò)程，其復雜性表現為：

　　(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質(zhì)的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

　　(2)非線(xiàn)性在電池充電的過(guò)程中，一般不能只用簡(jiǎn)單恒流或恒壓充電方式，因為充電電流在充電過(guò)程中會(huì )出現非線(xiàn)性的變化，其電流值會(huì )隨充電時(shí)間呈指數規律下降。

　　(3)復雜的電化學(xué)性經(jīng)過(guò)多次的充放電后，電池的充放電能力將出現很大的不同，電池的容量將會(huì )不一致，即使是同一類(lèi)型的電池也是一樣。

　　針對以前這些復雜的現象，在目前，提出了一種有效的充電方式—恒流轉恒壓的充電方式。當電池容量比較低時(shí)，該充電方式首先采用恒流充電，例如額定容量為2000mah的電池充電，采用2A電流充電，大概40分鐘電池電壓就能上升到設定值(4.2V)，然后轉入恒壓方式充電，就是電壓維持4.2V，這時(shí)充電電流會(huì )迅速下降。在恒壓充電期間，對電壓精度的要求很高，必須維持在4.2V±42mV的范圍內，也就是說(shuō)誤差不能超過(guò)1%.如果不控制電壓值，使電壓上升到4.5V的話(huà)，會(huì )對鋰電池造成永久性的損害。在這個(gè)期間，充電電流也會(huì )逐漸減小到一個(gè)范圍，以小電流繼續對電池充電，最后使電池容量達到額定值。這個(gè)過(guò)程大概持續80分鐘就能充滿(mǎn)。如果采用1A電流充電，大概100分鐘電池電壓上升到4.2V，約2.5小時(shí)充滿(mǎn)電。選擇的充電電流不同，但是都能充滿(mǎn)，就是花費時(shí)間長(cháng)短問(wèn)題。

　　恒流轉恒壓的充電方式能使電池達到滿(mǎn)充狀態(tài)，并且不損害電池，大大提高了電池的使用壽命和效率，目前成為鋰電池最主要的一種充電方式。

　　2.2.2充放電電流特性

　　在對鋰電池進(jìn)行充放電時(shí)，需要考慮其充放電的最大電流，尤其是放電電流，當鋰電池的放電速率超過(guò)2C時(shí)(C為電池的容量)，會(huì )使鋰電池的溫度急劇升高，從而嚴重發(fā)熱，會(huì )對鋰電池的內部造成損壞，影響其使用壽命。在對鋰電池充電時(shí)，其充電速率最好在0.25C~1C的范圍內，當充電電流過(guò)大時(shí)，需要實(shí)時(shí)監測溫度，以防溫度過(guò)高。

　　2.2.3最佳工作溫度環(huán)境

　　溫度對鋰電池的容量有很大的影響。雖然鋰電池的使用溫度范圍可以在-20℃~60℃之間，但是當溫度過(guò)低或過(guò)高都會(huì )影響到鋰電池的放電容量。實(shí)驗表明：當放電速率為0.2C時(shí)，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，可放出額定容量;當環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，電池容量下降約5%，當環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，電池容量下降約10%.由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度為25攝氏度時(shí)，是鋰電池的理想工作溫度，在這個(gè)溫度下，電池能發(fā)揮它的最大性能。

　　2.2.4自放電率

　　所有電池在開(kāi)路的情況下會(huì )出現正負極自放電，這會(huì )使電池的容量下降。但是鋰電池的自放電率非常小，遠遠低于鎳鎘電池、鎳氫電池。

　　2.2.5電池使用壽命

　　經(jīng)實(shí)驗表明，鋰電池的使用壽命遠遠大于其他電池，其充放電次數為600-1000次，而鎳鎘電池、鎳氫電池的充放電數一般為300-600次。鋰電池的充電次數具體視充電周期而定，一個(gè)充電周期意味著(zhù)用完電池的所有電量，但并不等同于充一次電。例如，可以只用了一半的電量，然后又為它充滿(mǎn)電，再用了一半的電量，然后又為它充滿(mǎn)電，這只能算作一個(gè)充電周期，而不是兩個(gè)，因此，你可能要花幾次完成一個(gè)周期。每完成一個(gè)充電周期，電池容量就會(huì )減少一點(diǎn)。

　　2.3鋰電池充電管理

　　在鋰電池監控管理系統中另一個(gè)重要部分就是對鋰電池的充電管理。目前來(lái)說(shuō)，主要存在兩種充電模式，一種是恒流恒壓的充電模式，另一種是脈沖電流充電的模式。根據這兩種充電模式，目前主要存在三種充電方式：線(xiàn)性充電方式、開(kāi)關(guān)充電方式和脈沖充電方式。其中，線(xiàn)性充電和開(kāi)關(guān)充電采用的都是恒流恒壓的充電模式。

　　2.3.1線(xiàn)性充電方式

　　線(xiàn)性充電方式主要應用于對噪聲敏感的無(wú)線(xiàn)設備，其優(yōu)點(diǎn)是成本最低，復雜度最小，同時(shí)在三種方式中其傳導和輻射干擾是最小的。但是這種充電方式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是功率損耗較大?；诰€(xiàn)性充電方式的這些優(yōu)缺點(diǎn)，這種充電方式在小功率便攜設備充電方案中具有很大的市場(chǎng)。線(xiàn)性充電方式檢測電池電壓來(lái)決定其充電狀態(tài)[26]。當電池電壓小于某閾值電壓時(shí)，處于預充電狀態(tài)，此時(shí)以較小的電流對電池進(jìn)行充電，預充電使電池電壓達到閾值電壓后，進(jìn)入恒定電流充電的快速充電狀態(tài)，充電電流可以調整。恒定電流充電使電池電壓上升到恒定電壓充電電壓(一般為4.2V)后，進(jìn)入恒定電壓充電狀態(tài)。在恒定電壓充電狀態(tài)下，充電電流將逐漸減小。當充電電流小于某閾值時(shí)，充電結束。充電結束后，對電池電壓進(jìn)行監控，當電池電壓小于閾值時(shí)，對電池進(jìn)行再充電，進(jìn)入下一個(gè)充電周期。

　　2.3.2開(kāi)關(guān)充電方式

　　相對于線(xiàn)性充電方式來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)充電方式具有最大的優(yōu)點(diǎn)就是低損耗，這種充電方式能夠在寬輸入電壓范圍和任意電池端壓范圍內保持一個(gè)很低的損耗。線(xiàn)性充電方式由于其高損耗的缺點(diǎn)，在一些散熱條件差、環(huán)境溫度比較高的場(chǎng)所使用，可能會(huì )產(chǎn)生非常嚴重的后果。因此，在這種環(huán)境下，采用開(kāi)關(guān)充電方式是非常必要的。

　　但是開(kāi)關(guān)充電方式也有其自身的缺點(diǎn)，這種方式所搭建的電路體積較大、復雜度較高，另外還有一些干擾問(wèn)題。

　　2.3.3脈沖充電方式

　　脈沖充電方式是一種新型的充電方式，其充電過(guò)程在前半部分與恒流-恒壓充電方式是相同的，都是在開(kāi)始時(shí)采用恒流對電池充電，當電池電壓上升到4.2V以后，開(kāi)始轉入真正的脈沖充電階段，而不是恒壓充電。在脈沖充電階段，充電器間歇性的對電流進(jìn)行充電，充電電流值與在恒流充電階段相同。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，當電池電壓超過(guò)4.2V后，充電回路被切斷，電壓會(huì )慢慢下降。下降到一定值后在打開(kāi)充電回路繼續充電，重復進(jìn)行這些過(guò)程，直到電壓的下降速度足夠慢，認為電池滿(mǎn)電量。

　　脈沖充電方式綜合了開(kāi)關(guān)方式和線(xiàn)性方式的優(yōu)點(diǎn)。這種充電方式不會(huì )產(chǎn)生熱損耗，且效率很高，而且由于這種方式?jīng)]有額外的輸出濾波電路，因此不會(huì )產(chǎn)生干擾。但是，脈沖充電方式也有其自身的缺點(diǎn)，就是成本比較高。這是由于它需要一個(gè)有限流功能的電源。

　　2.4電池電量管理

　　鋰離子電池的特性對設備的正常工作有很大影響。在實(shí)際應用中，要求鋰離子電池能夠滿(mǎn)足工作的功率需求，并且要求維持正常工作的時(shí)間盡量長(cháng)。鋰離子電池電量管理是鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)現鋰離子電池的電量管理，可提升電池組的安全性、效率、壽命，從而提升系統的整體性能。此外，大多數應用場(chǎng)合需要顯示電池組的剩余電量信息，以供使用者明確電池組的工作狀態(tài)，及時(shí)對電池組進(jìn)行充電。

　　SOC指的是電池剩余電量值，它是電池使用過(guò)程中的重要參數。在對電池進(jìn)行管理的過(guò)程中，必須要對電池的剩余電量也就是SOC進(jìn)行估計。因此，SOC的精確估計非常重要。SOC估計與電池自身的特性和外界的因素有很大的關(guān)系。其中，最主要的因素有環(huán)境溫度、充放電效率、自放電、電池的循環(huán)壽命等。另外，選用合適的SOC估計算法來(lái)進(jìn)行剩余電量計算也是非常重要的。常見(jiàn)的SOC估算方法有放電實(shí)驗法、開(kāi)路電壓法、安培積分法等。

　　1、放電實(shí)驗法這種SOC估計算法是精確估算電池剩余電量的最可靠方法，在實(shí)驗室中經(jīng)常采用這種方法。但是，當電池處于動(dòng)態(tài)時(shí)，這種方法不適用。

　　這種估算方法的策略比較簡(jiǎn)單，采用恒流將電池放電至截止電壓，電流與時(shí)間的乘積就是剩余電量。

　　2、開(kāi)路電壓法、開(kāi)路電壓法是指當電池處于開(kāi)路的狀態(tài)時(shí)，其電壓值與SOC之間存在一個(gè)基本上趨于線(xiàn)性的比例關(guān)系。因此，我們只需要測量電池的開(kāi)路電壓值，就可以得到其SOC值。這種估算方法是最簡(jiǎn)單的。

　　3、安培積分法安培積分法是比較復雜，需要考慮很多因素，例如溫度、充放電效率，自放電率等，如果忽略這些因素，那么在對電池電量進(jìn)行估計時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤差，這些誤差會(huì )隨時(shí)間而逐漸累加，最終對估算結果造成很大的影響。因此，在實(shí)際使用中，安培積分法一般都是與其它方法結合使用而不單獨使用。

　　安培積分法就是指通過(guò)計算電池在充放電過(guò)程中的容量變化的差值，獲得電池的剩余容量。

　　即電池的剩余電量=(總電量)-(已放出的電量)

　　需要對電池進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的監測，從而能夠得到任意時(shí)刻電池的安時(shí)電量，然后對電流進(jìn)行積分從而得到已放出的電量。

　　本系統選擇采用開(kāi)路電壓法。但是，電池不是一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，它的電量會(huì )受到很多因素的影響，忽略這些因素會(huì )給電量估計帶來(lái)較大的偏差。因此SOC估計需要加入各種補償。SOC的補償主要為充電率補償、放電率補償和溫度補償。

　　將這些需要補償的因素考慮進(jìn)來(lái)以后，就可以對SOC進(jìn)行較精確的估計。

　　2.5電池均衡管理

　　由于單體鋰離子電池的電壓只有4.2V，因此在許多設備中無(wú)法單獨使用。我們需要將其串聯(lián)起來(lái)構成鋰電池組，這樣可以得到較高的電壓或較大的功率，方便應用于各種設備中。

　　但是鋰離子電池在串聯(lián)使用時(shí)，當對鋰電池組進(jìn)行充電的過(guò)程中，單體鋰離子電池之間會(huì )出現不均衡的問(wèn)題，時(shí)間長(cháng)了會(huì )導致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會(huì )影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設計均衡保護電路。

　　2.5.1電池失衡的原因

　　由于同一型號的鋰離子電池其內部特性都存在差異，而且鋰離子電池的使用次數和外部環(huán)境不同，因此，會(huì )導致鋰電池組中單體電池的容量差異。

　　但是，在對鋰電池組進(jìn)行充/放電的過(guò)程中，流過(guò)每一個(gè)單體電池的電流是相同的。這樣，在充電時(shí)，容量小的電池會(huì )被先充滿(mǎn)，單鋰電池組會(huì )繼續充電，這樣勢必會(huì )造成容量小的電池過(guò)充;同理，在放電過(guò)程中，容量小的放電快，容易造成過(guò)放。當出現過(guò)充和過(guò)放的現象，會(huì )影響該單體電池的使用壽命，同時(shí)會(huì )影響到鋰電池組的整體放電能力。因此，為了解決鋰離子電池組在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的不均衡現象，需要在電池監控管理系統中設計均衡電路。

　　2.5.2電池組均衡的方法

　　電池組均衡是指通過(guò)合適的電路和控制方法，調節電壓較高的單節電池，達到各節一致的目的。目前國外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和無(wú)能耗的方法。

　　1、能量損耗型均衡法在對鋰電池組均衡時(shí)，主要依據鋰電池組中單體電池的端電壓是否相同來(lái)判斷整個(gè)電池組是否處于均衡狀態(tài)。能耗型均衡電路的基本思路就是通過(guò)對單體電池電壓值的檢測，把電壓高的電池單元中多余的能量通過(guò)電阻消耗掉。

　　一種比較簡(jiǎn)單的均衡方法是電阻旁路法。電池組中每一個(gè)電池單元都并聯(lián)一個(gè)分流電阻，當系統檢測到電池組中某單體電池電壓過(guò)高時(shí)，閉合旁路開(kāi)關(guān)，

　　接通旁路，利用分流電阻對該電池進(jìn)行放電，將多余的能量通過(guò)分流電阻進(jìn)行消耗。當信號檢測電路檢測到該單體電池電壓下降到與電池組中其它電池一致時(shí)，認為電池組趨向于均衡，打開(kāi)旁路開(kāi)關(guān)，停止分流電阻對電池的進(jìn)一步放電。這種均衡電路主要應用于小電流充放電的系統中。

　　2、非能量損耗型均衡法能量損耗性均衡法由于通過(guò)分流電阻來(lái)釋放多余的能量，因此會(huì )在電路中產(chǎn)生較大的熱量，對整個(gè)系統的散熱產(chǎn)生很大的影響，特別是在功率較大或者充放電電流比較大的系統中。因此，對于大功率大電流系統，通常采用非能量損耗型均衡法。

　　非能量損耗均衡法是利用一個(gè)活動(dòng)的分流元件把電壓高的單體電池的能量轉移到電壓比較低的單體電池上。一種方法就是讓相鄰兩節電池共享一個(gè)快速電容，這個(gè)快速電容在兩節電池間不斷轉換，將高電量電池的部分電量轉移到低電量電池上去。每個(gè)電容需要一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器件來(lái)接通開(kāi)關(guān)，就可以對高電壓的串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡。

　　2.5.3結論

　　在本文中，由于是小功率小電流系統，因此均衡電路的方案選用的是能量損耗均衡法，或者叫電阻分壓均衡法。這種方法就是在單體電池兩端設置旁路，在旁路中設置開(kāi)關(guān)電路和分流電阻。其均衡原理是通過(guò)檢測鋰電池單體電壓，打開(kāi)或者關(guān)閉開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)分流電阻對電壓高的單體電池進(jìn)行放電，釋放多余的能量，從而實(shí)現對整個(gè)電池組的均衡。這種方法電路簡(jiǎn)單，均衡控制容易，速度快。

　　但是它是浪費了電池組的電能，同時(shí)使整個(gè)電池組和監控電路上產(chǎn)生了大量的熱量，造成電池組和電路溫度過(guò)高。因此，需要實(shí)時(shí)的對電池組溫度進(jìn)行檢測，防止出現事故。