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1、动力锂电池管理系统中颖电子股份有限公司髙级工程师张圣(引言)近年來，锂电池以其髙能量密度、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，大容量髙电圧动力电池组的需求不断增加，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
2、酸电池，線镉电池以及银氢电池等，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線镉电池線氢电池锂离子电池比能量(wh/kg)30506080100150体积比能(wh/L)100150250350400标称电压(V)21.21.23.7工作温度(C)-20-6020-6020-60060自放电率)45203030-351000次记忆效应无有有无技术成熟单体电压高优点安全性能好安全性能好原材料便宜比能量高自放电率髙污染成本髙缺点污染原材料稀缺原材料稀缺安全性稍差实际应用中
3、，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(BatteryManagementSystem,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、过电流保护以及髙低温保护等功能，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BMS0口PACKCHG-口PA
4、CK-图_：基于SH79F329的16吊锂电池保护系统图二：基于SH367003的4串锂电池粘简保护系统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而生长出树枝状结晶，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梢度典型值为：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
5、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梢度为：50mV3. 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，电池温度会升髙，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脫恢能力时，将导致电池的极化电压增
6、加，导致电池的实际容量减小，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的要求也越來越高，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，但是髙温下，锂离子电池正极晶格结构稳定性会变
7、差，长期髙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，提髙容量利用率。5. 平衡功能动力锂离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
8、联电池芯之间的电圧不相同。这种情况下导致电池组充电的过程中，电压过髙的电池芯提早触发电池组过充电保护，而在放电过程中电圧过低的电池芯导致电池组过放电保护，从而使电池组的整体容量明显下降，整个电池组体现出來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，用以从具有较髙电圧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，包括电池数据采集和信
9、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，能够粕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，能够与外囤系统进行信息交换，常用的通信接口包括：I2C、RS232、RS485o图一所示即为此类BMS,系统提供荊确的电压/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，保护阈值稱度髙，功能稳定可靠等：另一类是以SH7
10、9F329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，而且显著提髙电池包的一致性和使用寿命。事实上，BMS技术已经成为动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
11、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。CHG匚116VVDDVM匚215口VC1DSG3S14JVC2VI匚4313口VC3DSD匚5o12口VC4CHD匚6311二CTLGND匚710口SELNC89JNCSH367003SH367003特点及管脚图：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SH367004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）髙低温保护6）电芯平衡功能7）断线保护功能8）
12、低功耗CTIC匚1VDDCTID匚2VC1CHF匚3VC2RAIC)匚4VC3VM匚5VC4QHC匚GVC5CGC匚7CMCCGC匚aGG1CHD匚GFICCDC匚1OgGFZG匚11TFMP1RAII匚12TFMPO1234573SH367004SH79F329特点及管脚图:1)基于8051的MCU2）工16BitADC进行电压/温度监控nnnnnnnnnn3）工16BitADC进行电流监控4）硬件过载/短路保护5）3个高压何OS控制端6）兼容SMBus通讯模块7）32KFlashPLLCGN3匚osa匚VDO匚RS2匚0匚AVDO匚ACM3匚ArthPOQ匚ArtftR)1匚AA3匚TBAP匚3634S33231M292&27264041424344454647SH?aFX924252221血诈U171615MB P13 P1.2 PC&SKCC POaMEO RSTB ARS2 AfiSl VC5 VC4 VC3 VC2 VC1
