鋰離子電池管理系統(tǒng)特性技術(shù)

王維佳 龍 澤 高 申

1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局

2.中國北方車輛研究所

因為我們的能源越用越慢慢枯竭，我們生存環(huán)境在不斷惡化，所以我們受到了能源的危機和人們環(huán)境保護的愿望強烈要求的因素的影響。所以鋰離子電池的產(chǎn)量得到了快速的發(fā)展，同時鋰離子的應(yīng)用領(lǐng)域也呈逐漸擴大的趨勢，鋰離子電池已經(jīng)慢慢地成為了二十一世紀最具有重要意義的高新技術(shù)產(chǎn)品。因為鋰離子電池具有很多優(yōu)點，是其他的電池不能相比的優(yōu)點，正是由于這些優(yōu)點的突出，所以人們才對鋰離子電池情有獨鐘。

1 鋰離子電池的特性

鋰離子電池具有單體工作的電壓相對比其他電池高，而且體積相對較小，質(zhì)量相對較輕，能量密度比其他的電池高，同時它也有一個突出的優(yōu)點，那就是鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)很長。每一個電池都會有自放電這種效應(yīng)，但是鋰離子電池的自放電電流很小，所以可以用在很多的電器上，不會對電子產(chǎn)品造成損害。而且在使用中沒有記憶效應(yīng)的產(chǎn)生，相對其他電池沒有污染而且性價比很高。但是任何事物都有兩面性，同時鋰離子電池也不是沒有缺點的一種技術(shù)，它的缺點也會表現(xiàn)非常明顯，說的可愛一點那就是很嬌氣，它在使用過程中對環(huán)境的溫度，充電時的電流和電壓都要有嚴格的控制，如若在使用和充電的過程中稍微有一個不小心，就有可能導(dǎo)致鋰離子電池受到一定的損傷，甚至達到報廢的嚴重后果，有時候也會發(fā)生燃燒或者爆炸等嚴重事件。所以我們可以采用通過電池管理系統(tǒng)對電池充電和放電的過程采取靜置補充能量等一些有利的管理措施來保證電池。

2 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的正極材料采用了鋰化合物L(fēng)iCoO2負極采用了LixC6。鋰和碳層間化合物是LixC6，它的電解液是有機溶液。電池是通過正極產(chǎn)生的帶著正電的鋰離子在負極碳材中的嵌入和遷出從而來實現(xiàn)電池的充放電過程，當(dāng)放電時鋰離子會從正極到達負極，而在充電時把這個狀態(tài)反過來。在鋰離子電池進行充電時，電池的正極上因為化學(xué)反應(yīng)會有鋰離子生成，生成的鋰離子會經(jīng)過電解液從而運動到負極。因為負極的碳是層狀的結(jié)構(gòu)，所以它會有有很多的小孔，到達負極的鋰離子就會進入到碳層的那些微孔中，從而把電能儲存在電池里面。鋰離子的充電容量是和嵌入負極的鋰離子成正比的。當(dāng)人們對電池進行放電作用時，進入負極的碳層中的鋰離子又會脫出，回歸到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量也就會越高。

3 鋰離子電池管理系統(tǒng)特性

鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時刻檢測電池內(nèi)部的電壓和電流等信息。我們可以通過這些電池內(nèi)部的具體參數(shù)來更加的了解電池的信息，判斷電池的工作狀態(tài)。

3.1 在電池的所有的內(nèi)部參數(shù)中，鋰離子的時時電壓可以很好地反映出鋰離子電池的工作狀況。鋰離子電池的過度充電和過度放電的依據(jù)就稱為鋰離子電池時時的電壓值，同時我們也可以通過測量內(nèi)部的電壓值從而初步的估算鋰離子電池內(nèi)部的soc。通過以上的理論我們可以知道，對鋰離子電池的時時電壓進行精確的檢測在鋰離子電池管理系統(tǒng)中是十分重要的。在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，對鋰離子電池組的時時電壓的檢測方法主要是利用電子繼電器和電容來做隔離處理，從而檢測出鋰離子電池的時時電壓值。

3.2 鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時時檢測出電池組的溫度和電流值，鋰離子的電池組工作時的電流和工作溫度也會影響鋰離子電池的工作狀態(tài)。所以檢測鋰離子電池組的溫度和電流也是很重要的。我們可以通過判斷電流的大小從而得知電池是否出現(xiàn)過放和過流，同時我們還可以通過計算來得出電池內(nèi)部的soc值，用來檢測電流和溫度的儀器一般是利用霍爾傳感器來實現(xiàn)。

3.3 鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時時檢測出剩余電量。伴隨著能源的不斷枯竭，鋰離子電池組也不斷地發(fā)展到了各行各業(yè)中。最近鋰離子電池也在電動汽車中利用的越來越多，所以電池組的剩余電量的時時檢測對我們在使用電動汽車時具有很大的影響。因為剩余電量會決定電動汽車的續(xù)航里程，如果我們不知道電動汽車的續(xù)航里程就會出現(xiàn)車輛半路拋錨等狀態(tài)的發(fā)生。但是由于鋰離子電池組的特殊性質(zhì)，所以剩余電量的多少將會受到很多因素的影響，其中會包括工作電流或者溫度以及自放電等因素，所以對鋰離子電池組的剩余電量的檢測相對比較困難。同時也是鋰離子電池組管理系統(tǒng)中的一個缺陷。

4 鋰離子電池管理系統(tǒng)的組成和作用

就當(dāng)前的技術(shù)，人們普遍的認為鋰離子電池組的管理系統(tǒng)必須應(yīng)該具有以下的幾點功能：對電池的數(shù)據(jù)進行采集，顯示鋰離子的剩余容量，通過電氣進行控制充電和放電，同時均衡充電的電流，進行熱量的時時管理等。基于以上對鋰離子電池的管理系統(tǒng)的各項要求，所以鋰離子電池管理系統(tǒng)應(yīng)該要具備的功能應(yīng)該有系統(tǒng)應(yīng)該包含的模塊有：一、用于消除那些由于電池組中的各個單體電池電量會出現(xiàn)不一致的均衡電路模塊；二、用于測量電池的電壓和電流和電池內(nèi)部的時時溫度的測量模塊；三、用于我們要實現(xiàn)數(shù)據(jù)時時的傳輸，所以必須得有模塊之間的通信的接口模塊，從而對測量的數(shù)據(jù)進行傳輸功能。四、用于系統(tǒng)中的各個模塊傳輸過來之后是數(shù)字的信號，必須進行處理之后才能讓人們看到電池的信息，所以也需要一個處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進行處理和監(jiān)控的管理模塊；五、用于人機只有進行交互才能滿足人們對電池的信息進行控制，所以人機接口模塊也必不可少。

5 鋰離子電池管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢

鋰離子電池的電池組在不同領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了一些產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，所以會對鋰離子電池的電池組管理系統(tǒng)的要求也會變得越來越高，經(jīng)過一些時間的考證，本文認為鋰離子電池以后的發(fā)展的趨勢會有以下的幾點。

5.1 不論是能量耗散型的管理系統(tǒng)電路還是非耗散型的管理電路，它們都會朝著一個方向發(fā)展，那就是盡可能減小能量消耗。因為能源越來越匱乏，所以我們不能浪費能量，節(jié)能是未來的主導(dǎo)者。

5.2 在我們的實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該從生產(chǎn)廠家的角度出發(fā)來看待問題，希望應(yīng)用到設(shè)備中的均衡電路的體積小，實現(xiàn)電路盡可能的簡單化，從而可以降低成本。目前均衡電路在管理系統(tǒng)中的體積占到一半以上，所以日后如何減少均衡電路的體積和成本成為了研究的重點。

5.3 鋰離子電池管理系統(tǒng)的電路的設(shè)計應(yīng)該變得適用性強，不僅可以對不同串?dāng)?shù)的電池組進行均衡。而且由于使用中電池組的各種不同的組合，所以鋰離子電池管理均衡電路的可級聯(lián)性將成為很重要的因素。今后應(yīng)該會讓管理系統(tǒng)變得簡單化和實用。

6 結(jié)語

由于鋰離子電池具有比能量相對其他電池高、而且輸出的功率大、循環(huán)壽命比較長等優(yōu)點，所以鋰離子電池在在電動汽車的應(yīng)用中越來越廣泛。伴隨著鋰離子電池的發(fā)展，鋰離子電池管理系統(tǒng)也在迅速發(fā)展著。鋰離子電池管理系統(tǒng)這種技術(shù)實現(xiàn)了自己對電池保護、電池的時時監(jiān)測、剩余電量的準確估算、均衡充電和放電的過程。現(xiàn)在經(jīng)常使用的均衡電路是電阻均衡或者電容均衡電路，電阻均衡效率低而且產(chǎn)生的熱量增加了電池的熱管理的難度；針對常用均衡電路均衡效率不好的情況，我們可以利用雙向的DC/DC 設(shè)計一種選通均衡電路，為我們的鋰離子電池管理系統(tǒng)增添一個好的技術(shù)。

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