智能电池管理系统

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1、电 池 管 理 系 统锂 离 子 电 池 研 究 始 于 20 世 纪 80 年 代 ， 1991 年 由 索 尼 公 司 首 先 推出 了 民 用 产 品 。 由 于 具 备 能 量 密 度 高 、 体 积 小 、 无 记 忆 效 应 、 循 环 寿 命高 、 自 放 电 率 低 等 诸 多 优 点 ， 锂 离 子 电 池 目 前 广 泛 应 用 于 手 机 、 MP3、笔 记 本 电 脑 、 相 机 等 各 种 便 携 式 设 备 。 尤 其 在 笔 记 本 供 电 方 面 ， 其 优 异的 高 能 量 优 势 更 是 发 挥 得 淋 漓 尽 致 。但 是 由 于 能 量 密 度 高 及

2、特 有 的 化 学 特 性 ， 锂 离 子 电 池 的 安 全 性 和 稳定 性 方 面 亦 存 在 隐 患 ， 如 过 高 温 和 过 充 可 能 会 燃 烧 甚 至 导 致 爆 炸 ， 过 放电 可 能 造 成 电 池 本 身 的 损 坏 。 近 年 来 ， 连 续 出 现 的 笔 记 本 电 脑 电 池 爆 炸燃 烧 事 故 ， 导 致 了 全 球 性 的 大 批 量 电 池 召 回 现 象 ， 给 生 产 厂 家 带 来 了 巨大 的 经 济 损 失 。为 保 证 电 池 使 用 的 安 全 性 ， 在 提 高 电 池 本 身 材 料 性 能 及 加 强 工 艺 控制 的 同 时 ，

3、智 能 电 池 管 理 系 统 也 成 为 锂 离 子 电 池 应 用 研 究 的 重 中 之 重 。智 能 电 池 管 理 系 统 简 介锂 离 子 电 池 发 展 初 期 ， 电 池 管 理 系 统 一 般 只 具 有 检 测 电 池 组 电 压 、温 度 、 电 流 及 简 单 保 护 等 功 能 。 随 着 锂 离 子 电 池 应 用 范 围 越 来 越 广 ， 应用 方 式 越 来 越 多 ， 对 锂 离 子 电 池 管 理 系 统 的 要 求 也 越 来 越 高 。智 能 电 池 管 理 系 统 一 般 具 有 如 下 几 个 功 能 ： 电 池 组 参 数 采 集 、 剩 余 电

4、量 计 算 、 电 池 组 故 障 保 护 、 电 芯 均 衡 、 通 信 等 。电 池 组 参 数 采 集电 池 组 参 数 采 集 主 要 包 括 电 池 组 中 单 体 电 池 电 压 、 系 统 电 流 、 系 统温 度 的 采 集 ， 该 参 数 可 用 于 判 定 电 池 的 剩 余 电 量 、 故 障 保 护 等 。锂 离 子 电 池 的 电 压 最 能 体 现 电 池 的 性 能 状 态 ， 既 可 以 用 于 过 充 、 过 放等 故 障 保 护 ， 也 可 以 用 于 初 步 估 计 锂 离 子 电 池 的 剩 余 电 量 。 系 统 电 流 可用 于 判 断 是 否 出

5、现 过 放 或 过 流 ， 还 可 以 通 过 对 电 流 与 时 间 的 积 分 ， 估 计电 池 的 剩 余 电 量 等 。 系 统 温 度 主 要 用 于 防 止 电 池 组 温 度 过 高 ， 发 生 安 全事 故 ， 并 对 剩 余 容 量 计 算 进 行 补 偿 。电 池 管 理 系 统 的 所 有 算 法 及 保 护 都 是 以 采 集 到 的 电 池 参 数 为 基 础的 ， 因 此 必 须 保 证 数 据 的 精 确 度 。剩 余 电 量 预 测剩 余 电 量 是 反 映 电 池 性 能 的 重 要 参 数 ， 也 是 主 机 进 行 充 电 、 放 电 的判 断 依 据 。

6、 剩 余 电 量 的 准 确 估 算 可 以 保 护 电 池 ， 防 止 过 充 、 过 放 的 发 生 ，便 于 客 户 做 出 合 理 的 时 间 安 排 。 当 前 ， 剩 余 电 量 的 检 测 方 式 主 要 有 开 路电 压 法 、 库 仑 积 分 法 、 内 阻 法 、 卡 尔 曼 滤 波 法 、 混 合 法 等 。1） 开 路 电 压 法 是 目 前 最 简 单 的 方 法 ， 根 据 电 池 的 特 性 得 知 ， 在 电 池容 量 与 开 路 电 压 之 间 存 在 一 定 的 函 数 关 系 ， 当 得 知 开 路 电 压 时 ， 可 以 初步 估 算 电 池 的 剩 余

7、 电 量 。 该 方 法 精 度 不 高 ， 且 只 适 用 于 静 态 检 测 ， 无 法直 接 用 于 真 实 应 用 。2） 内 阻 法 利 用 电 池 内 阻 和 剩 余 电 量 的 对 应 关 系 ， 来 判 定 系 统 的 剩余 电 量 。 由 于 锂 离 子 电 池 组 的 内 阻 随 工 作 状 态 变 化 明 显 ， 不 同 特 性 的 电芯 之 间 也 有 差 异 ， 该 方 法 的 重 点 是 如 何 能 够 快 速 得 到 当 前 应 用 条 件 下 电芯 的 内 阻 。 如 果 可 以 快 速 进 行 内 阻 的 自 我 测 量 ， 则 可 以 得 到 相 对 准 确

8、 的剩 余 容 量 。3） 库 仑 积 分 法 是 通 过 计 算 电 池 组 电 流 与 时 间 的 积 分 ， 计 算 锂 离 子 电池 组 充 入 和 放 出 的 电 量 ， 再 与 电 池 的 额 定 电 量 比 较 ， 从 而 得 出 当 前 的 剩余 电 量 。 该 方 法 简 单 、 稳 定 ， 但 必 须 对 电 流 测 量 非 常 准 确 ， 否 则 会 出 现积 累 误 差 。 另 外 ， 锂 离 子 电 池 的 自 放 电 以 及 在 低 温 和 大 电 流 下 其 放 电 效率 会 变 低 ， 都 会 进 一 步 降 低 了 剩 余 电 量 的 检 测 精 度 。 库

9、仑 积 分 法 必 须 定期 进 行 校 正 。4） 卡 尔 曼 滤 波 法 是 指 采 用 卡 尔 曼 滤 波 算 法 ， 综 合 考 虑 电 池 组 循 环 变化 、 电 池 老 化 、 温 度 等 影 响 ， 进 而 得 到 精 准 的 剩 余 电 量 。 该 算 法 相 对 而言 最 精 准 ， 但 是 算 法 复 杂 ， 又 需 要 足 够 的 实 验 数 据 ， 暂 未 得 到 具 体 的 应用 。 5） 混 合 法 是 指 通 过 内 阻 法 /开 路 电 压 法 与 库 仑 积 分 法 相 结 合 的 方 式 ，通 过 开 路 电 压 法 /内 阻 法 的 定 期 校 正 ，

10、使 用 库 仑 积 分 法 得 到 精 准 的 剩 余电 量 。 该 方 法 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 方 式 。电 池 组 故 障 保 护在 使 用 锂 离 子 电 池 时 ， 必 须 提 供 电 池 组 故 障 保 护 ， 过 热 或 过 充 均 可能 引 起 火 灾 或 爆 炸 。 智 能 电 池 管 理 系 统 可 分 为 一 级 保 护 和 二 级 保 护 。一 级 保 护 检 测 电 池 组 的 电 流 、 电 压 和 温 度 及 剩 余 电 量 ， 判 断 电 池 组是 否 发 生 了 过 充 、 过 放 、 过 温 、 过 流 和 短 路 等 不 安 全 状 态 ，

11、并 适 时 关 闭电 池 组 ， 以 避 免 对 电 池 组 造 成 损 坏 。 二 级 保 护 可 以 在 一 级 保 护 失 效 的 情况 下 提 供 后 备 保 护 ， 熔 断 保 险 丝 ， 永 久 关 闭 电 池 组 ， 防 止 电 池 在 不 安 全状 况 下 继 续 充 放 电 。电 芯 均 衡由 于 锂 离 子 电 池 的 制 作 工 艺 限 制 ， 以 及 使 用 过 程 中 温 度 、 放 电 率 等对 电 池 的 影 响 ， 电 池 组 中 各 个 单 体 电 池 之 间 存 在 电 压 、 内 阻 和 容 量 等 差异 ， 而 且 电 池 组 经 过 多 次 循 环 之

12、 后 差 异 会 变 得 更 加 明 显 ， 导 致 电 池 组 的使 用 寿 命 比 单 体 平 均 寿 命 短 很 多 。 同 时 对 锂 离 子 电 池 而 言 ， 由 于 其 对 充放 电 要 求 很 高 ， 当 过 充 、 过 放 、 过 流 及 短 路 等 情 况 发 生 时 ， 锂 离 子 电 池内 热 量 大 量 增 加 ， 容 易 发 生 火 花 、 燃 烧 甚 至 爆 炸 。 为 确 保 安 全 性 和 稳 定性 ， 必 须 采 取 均 衡 措 施 。目 前 锂 离 子 电 池 均 衡 管 理 的 方 法 可 以 分 为 耗 能 式 和 非 耗 能 式 。1） 耗 能 式

13、是 将 电 池 组 中 电 压 较 高 的 电 池 释 放 一 部 分 能 量 ， 使 其 与 其他 电 池 保 持 一 致 ；2） 非 耗 能 式 是 在 单 体 电 池 之 间 或 单 体 电 池 与 整 个 电 池 组 之 间 进 行能 量 转 移 。耗 能 式 是 通 过 给 单 体 电 池 并 联 一 个 功 率 电 阻 和 一 个 开 关 进 行 分 流 ，将 电 池 组 中 电 压 高 的 单 体 电 池 多 余 的 能 量 释 放 ， 达 到 电 池 组 电 压 均 衡 。该 方 法 简 单 、 稳 定 ， 缺 点 是 存 在 能 量 浪 费 、 均 衡 时 间 长 和 散 热

14、 等 问 题 ，一 般 只 用 于 充 电 状 态 下 的 均 衡 。非 耗 能 式 一 般 是 使 用 储 能 元 件 转 移 能 量 使 电 池 组 电 压 保 持 一 致 ， 该方 法 均 衡 电 流 大 、 均 衡 效 率 高 ， 但 是 电 路 复 杂 、 控 制 复 杂 。 一 般 可 分 为能 量 转 换 式 均 衡 和 能 量 转 移 式 均 衡 。能 量 转 换 式 均 衡 是 通 过 反 激 转 换 器 由 锂 离 子 电 池 组 整 体 向 单 体 电池 进 行 补 充 或 由 单 体 电 池 向 电 池 组 进 行 补 充 ， 该 转 换 可 以 在 某 电 池 电 压

15、高 于 阈 值 时 将 其 能 量 转 换 到 电 池 组 ， 也 可 以 在 某 电 池 电 压 低 于 阈 值 时 从电 池 组 转 换 到 该 电 池 。能 量 转 移 式 是 通 过 电 容 或 电 感 把 能 量 从 电 压 高 的 电 池 转 移 到 电 压低 的 电 池 ， 从 而 达 到 均 衡 。 该 方 法 的 缺 点 是 控 制 复 杂 ， 无 法 用 于 数 量 多的 电 池 组 ， 均 衡 时 间 比 较 长 。通 信智 能 管 理 系 统 需 对 外 提 供 SMBus 通 信 功 能 ， 以 方 便 主 机 读 取 转 换 数 据和 状 态 信 息 ， 并 可 以

16、 根 据 主 机 需 要 对 智 能 电 池 管 理 系 统 进 行 控 制 。智 能 电 池 管 理 发 展 技 术 趋 势目 前 ， 智 能 电 池 管 理 技 术 仍 然 存 在 着 一 定 方 面 的 不 足 ， 未 来 的 改 进 可 能主 要 表 现 在 如 下 几 个 方 面 ：1） 均 衡 方 式 待 改 进 ， 均 衡 方 式 向 非 耗 能 式 变 化 ， 提 高 均 衡 效 率2） 电 池 容 量 监 控 不 够 准 确 ， 无 法 针 对 不 同 电 池 组 做 差 异 化 的 充 放 电 管理3） 减 少 管 理 系 统 能 耗 ， 提 高 能 量 利 用 率4） 系 统 集 成 度 待 进 一 步 提 高 ， 降 低 系 统 复 杂 度