动力锂电池管理系统

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1、动力锂电池管理系统 中颖电子 股份 有限公司 高 级工程师 张圣 （ 引言） 近年来， 锂电 池以其高 能量 密度、循 环寿 命长、轻 便无 污染等优 点在 电动工具 、电 动自行 车、电动 摩托 车以及 UPS 等领域得 到广 泛应用， 锂电 池混合动 力车 以及纯锂 电池 动力车也 在逐 年增加 ， 但是 安全性能 仍是 动力锂电 池行 业最为关 注的 问题。 本文结 合中颖电 子股 份有限公 司相 关产品介 绍动 力锂电池 管理 系统。 （ 正文） 随着电动 工具 、 电动自 行车/ 摩托车、UPS 以及 电动汽 车等产业 的兴 起， 大容 量高 电压动力 电池组的 需求 不断增加 ，

2、锂 离子电池 凭借 其诸多优 点成 为未来动 力电 池的最佳 选择 。 锂离 子电池 是 20 世纪开 发成功的 新型 高能电池 ，广 泛应用于 便携 式电器以 及移 动通信中 。相 对于市场 中常 见的铅酸 电池 ， 镍镉电池 以 及镍氢电 池等 ， 锂电池具 有 单节电池 电压 高、 体积小、 质量轻、 储 存 能量多、 循 环 寿命长、 自 放 电率低、 无 记 忆效应、 无 污 染等特点， 表 一为各类 电池 间性能和 优 缺 点对比。 表一：电 池性 能和特点 对比 表 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电 池 比能量(wh/kg) 1000 次 记忆效应 无 有 有 无 优点 技

3、术成熟 原材料便 宜 安全性能 好 安全性能 好 单体电压 高 比能量高 缺点 污染 自放电率 高 原材料稀 缺 污染 原材料稀 缺 成本高 安全性稍 差 实际应用 中， 锂电池组 必须 配备专用 电池 管理系统 ，以 确保锂电 池安 全及使用 寿命 ，电池 管理系统 （Battery Management System ，简 称 BMS ） 的功能可 分为 两类：保 护功 能和监控 功能 。 可靠的 BMS 能够使电 池始 终保持在 最佳 工作状态 下， 最大限度 延长 电池的寿 命。 图一所示 为基 于 SH79F329 的多串锂 电池 管理系统 ，该 系统具备 锂电 池 BMS 的 大

4、部分功能 。 锂电池 BMS 的保护功 能包 括： 过充电 保 护、 过放电 保 护、 过电流 保 护以及高 低温 保护等功 能， 其中过 充 电保护、 过 放 电保护以 及过 电流保护 功能 时锂电 池 BMS 必备 的功能 ， 图二是基 于 SH367003 系列 芯 片 设计的 4 串锂 电池 保护系统 ，该 系统为最 简锂 电池 BMS 。 SH79F329 SH79F329 SH79F329 CHG DSG Discharge FET Charge FET SH79F329 Rsense PACK+ PACK- SDI SDO CLK SDI SDO CLK SDI SDO CLK

5、Up to 24 Chips Temp Temp Temp T Smart tool PC RS1 RS2 CHG-图一：基 于 SH79F329 的 16 串锂电池保护 系统 充电 MOS 放电 MOS 图二：基 于 SH367003 的 4 串锂电 池精简保 护系统 1. 过 充电保 护 锂电池充 电过 程中， 电 芯电 压超过上 限电 压时， 过 量的 锂离子将 从电 池正极脱 出， 引起正极 晶格结构 被破 坏， 导致 电芯 容量急剧 变小 。 当电芯 电压 过高时， 锂离 子会沿着 负极 表面生长 出树 枝状结晶 ，进 而造成正 负极 短路发生 爆炸 。所以锂 电池 使用中， 过充

6、电是被严 格禁 止的。BMS 会监控系 统中 每节电芯 电压 ，当电芯 电压 超过充电 限制 电压时，BMS 会关断 充电 回路从而 保护 电池组。 业内 集成芯片 过充 电保护阈 值电 压的精度 典型 值为：25mV 。 2. 过 放电保 护 锂电池放 电过 程中， 电 芯电 压低于下 限电 压时， 电 芯负 极的金属 集流 体将被溶 解， 会大大缩 短电芯的 使用 寿命， 且 给电 芯造成的 损害 往往是不 可逆 的。 在极 限情 况下， 给 过度 放电的电 芯充 电时，金 属集 流体会在 负极 附近沉积 ，当 沉积达到 电芯 正极时将 造成 电芯内部 短路 或者漏液 。 BMS 进行 过

7、 放电保护 的动 作类似于 过充 电保护， 但 很 多 BMS 在电 芯过放电 保护 后， 为了防 止 锂 电池进一 步过 度放电， 均会 进入自身 功耗 降低模式 。常 见的过放 电保 护阈值精 度为 ：50mV 。 3. 过 流保护 电池都存 在一 定的内阻 ， 当 电池工作 电流 过大时， 电池 内部的发 热明 显增加， 电池 温度会升高， 从而导 致 电池的热 稳定 性下降， 并 形 成正反馈。 而 且， 锂离子 电 池的正负 极的 脱嵌锂离 子 的 能力是有 限的 ， 当电池 的充 放电电流 大于 电池的脱 嵌能 力时， 将 导致 电池的极 化电 压增加， 导致 电池的实 际容 量减

8、小 ， 严重 时还会导 致锂 离子的淀 积影 响电池的 安全 性。 锂 离子电 池保护系 统会 根据电池 组放 电电流大 小， 选择不同 的过 流保护延 时。 较为常见 的过 流保护延 时 在 20mS 左右 ， 而短路保 护延 时则大多 在 200500uS 之间。 随着锂电 池应 用领域的 拓展 ，对纯保 护功 能的 BMS 的 要求也越 来越 高，包括 高低 温保护甚 至平衡功 能逐 渐成为此 类 BMS 的必备功 能。图三 是基 于 SH367004 系列芯片 设计 的 10 串锂电 池 保护系统 ，该 系统具备 平衡 功能以及 高低 温保护功 能。 4. 温 度保护 电芯温度 对锂

9、离子电池 性能 的发挥具 有重 要影响， 电池 温度高时 ，电 芯活性增 加， 能量能 够得到更 加有 效的发挥 ， 但 是高温下 ， 锂 离子电池 正极 晶格结构 稳定 性会变差 ， 长 期高温工 作会 明显缩短 电池 寿命；相 对而 言，低温 下锂 电子电池 活性 下降，可 用容 量减小， 能量 利用率变 低， 尤其是低 温下 充电容量 将变 得很低， 同时 可能产生 安全 隐患。 较 完善 的锂电池 保护 系统， 在 电芯 温度超过 预订 的高温或 是低 于预订的 低温 ， 均会禁 止电 池组进行 充放 电， 从而 延长 电池寿命 ， 提 高容量利 用率 。 5. 平 衡功能 动力锂离

10、子电 池一般都 要几 串、几十 串甚 至几百串 以上 ，由于电 池在 生产过程 中， 从涂膜 开始到成 为成 品要经过 很多 道工序， 即 使 经过严格 的检 测程序， 使 每 组电源的 电压 、 电阻、 容量 一致， 但 使用 一段时间 以后 ， 电池内 阻、 电压、 容 量等 参数产生 波动 ， 形成不 一致 的状态， 就会 产生这样 或那 样的差异 。 这 种差异体 现为 电池组充 满或 放完时串 联电 池芯之间 的电 压不相同 。 这 种情况下 导致 电池组充 电的 过程中 ， 电压 过高的电 池芯 提早触发 电池 组过充电 保护 ， 而在 放电过 程中电压 过低 的电池芯 导致 电池

11、组过 放电 保护， 从而使 电池组的 整体 容量明显 下降 ， 整个 电池组 体现出来 的容 量为电池 组中 性能最差 的电 池芯的容 量， 而且使用 时很 容易发生 过充 和过放现 象， 且不易发 现， 导致提前 失效 。 当前， 相当 一部分锂 离子 电池保护 系统 具备平衡 功能 ， 用以从具 有 较高电压 的电 池抽取多 余的 电流， 消 耗多 余的电量 ， 实 现电池均 衡， 最大限度 地发 挥动力锂 电池 的效用， 延长 电池的使 用寿 命，增加 安全 性。 图二：基 于 SH367004 的 10 串 锂电 池保护系 统 监控功能 是动 力锂电 池 BMS 未来主 要发 展方向，

12、 包 括 电池数据 采集 和信息传 递两 方面。 电 池数据采 集要 求 BMS 实时 测量各节 电芯 电压、进 出电 池组的电 流以 及各监测 点温 度，能够 精确 统计当前 电池 组的荷电 状态 。 当前 两种主 流的荷电 状态 统计方法 是库 伦积分法 和阻 抗跟踪法 。 具 备监控功 能 的 BMS 都配 备 MCU 模块 进行信息 存储 和计算， 能够 与外围系 统进 行信息交 换， 常 用的通信 接口 包括：I2C 、RS232 、RS485 。图一所 示即 为此类 BMS ，系统提 供精 确的电压/电流/ 温度检测 ，提 供实时的 荷电 状态计算 ，提 供 I2C 对 外通 信接

13、口。 当前 BMS 向 着两个方 向发 展：一类 是 以 SH367003/SH367004 为 代表的纯 硬件 芯片组成 的 BMS ，主要特 点是外围 器件 简单，保 护阈 值精度高 ，功 能稳定可 靠等 ；另一类 是 以 SH79F329 为代表的 高 压 MCU 芯片 组成的 BMS ，主要特 点是 能够实现 监控 电池状态 并计 算荷电状 态， 保 护阈值调 整方 便以及功 能扩 展简单等 。BMS 的发展 促 进了动力 锂电 池产业的 发展 ，BMS 不仅为 锂电池提 供所 必须的安 全保 护，而且 显著 提高电池 包的 一致性和 使用 寿命。事 实上 ，BMS 技术 已经成为 动

14、力 锂电池成 组技 术的关键 ，BMS 技术的 可 靠性决定 了动 力锂电池 的安 全性。 （ 本文小 结） 动力锂电 池的 市场空间 巨大 ，对 BMS 需 求与日俱 增， 选择合适 的 BMS 能够保证 锂电池的 安全并延 长其 使用寿命 。 本 文简单介 绍了 当前动力 锂电 池管理系 统的 主要功能 和特 点， 叙 述了一 些个人的 拙见 ，希望与 大家 共同探讨 动力 锂电池 BMS 这个领域 。 中 颖电子 锂电池 保护芯 片简介 ： SH367003/SH367004/SH79F329 等是中颖 电子股份 有限 公司生产 的专 用锂电池 保 护 IC 。 SH367003 特 点

15、及管脚 图： 1) 单节过充 电保 护 2) 单节过放 电保 护 3) 适用于磷 酸铁 锂电芯 4) 两段放电 过电 流保护 5) 短路保护 6) 宽工作电 压/ 宽工作温 度 7) 低功耗 DSG VM VI DSD CHD GND NC VC2 VDD VC1 VC3 VC4 CTL SEL NC SH367003 14 16 15 13 12 11 10 9 3 2 4 5 6 7 8 1 CHGSH367004 特 点及管脚 图 1) 单节过充 电保 护 2) 单节过放 电保 护 3) 充放电过 流保 护 4) 充放电短 路保 护 5) 高低温保 护 6) 电芯平衡 功能 7) 断线保

16、护 功能 8) 低功耗 SH79F329 特 点及管脚 图： 1) 基于 8051 的 MCU 2) - 16 Bit ADC 进 行电压/ 温度监控 3) - 16 Bit ADC 进 行电流 监控 4) 硬件过载/ 短 路保护 5) 3 个高压 MOS 控制端 6) 兼容 SMBus 通讯模块 7) 32K Flash SH79F329 1 2 345678 9 10 11 12 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 PLL GND OSCI VDD RS2 RS1 AVDD AGND AN1/P0.0 AN0/P0.1 AAN0 TEMP P1.3 P1.2 P0.6/SMBC P0.5/SMBD RSTB ARS2 ARS1 VC5 VC4 VC3 VC2 VC1 NC