一種鋰電池管理系統及方法研究

劉豐　羅新軍

摘 要 本研究的鋰電池應用管理系統包括：單節鋰電池、鋰電池充放電管理模塊、鋰電池放電過流保護模塊、鋰電池電壓過放保護模塊及鋰電池電壓升壓模塊；采用對鋰電池充放電電流、電壓進行實時監測技術對鋰電池的充放電進行管理，實現對鋰電池的保護。

【關鍵詞】鋰電池 充放電 過放保護 過流保護

1 概述

鋰電池具有體積小、重量輕，比能量大，循環壽命長，自放電率低，無記憶效應，綠色，工作溫度范圍寬等特點。鋰電池在移動通信設備中得到廣泛應用，如動環設備、射頻光纖分布系統、網絡信號監測儀等，用于實現對這些設備在外電掉電下的狀態監控；通常設備的監控系統供電電壓在9V或以上，單節鋰電池的標稱電壓為3.7V，常用的方案是采用多節鋰電池串聯的方式來達到應用系統的供電電壓要求，由于每節電池在出廠時均存在一定的差異性，隨著充放電次數的增加，串聯中的各鋰電池的差異將越來越大，造成電池組中各電池的充電時間不一致，導致電池浮沖、過充或過放，容易造成電池損壞。

為克服鋰電池應用存在的缺點和不足，特別是多節鋰電池串聯存在的充放電不平衡問題，采用基于單節鋰電池應用的管理系統及技術方案，可有效解決這些固有缺陷。

2 鋰電池充放電管理要求

鋰電池過充、過放、過流，高溫、低溫使用等均可能造成鋰電池物理、化學上的損壞。

鋰電池的理想充電過程：預充、恒流充電、恒壓充電、涓流充電、充電完成，不斷監測鋰電池電壓并與門限比較，若低則重新開始充電，鋰電池充滿后應盡量避免浮充。

理想的鋰電池充電電壓電流曲線如圖1所示。

3 單節鋰電池管理系統框圖

單節鋰電池的標稱電壓通常為3.7V，通常難以正好達到設備監控系統的供電要求。

單節鋰電池充放電管理系統包括：鋰電池充放電管理模塊、鋰電池放電過流保護模塊、鋰電池電壓過放保護模塊及鋰電池電壓升壓模塊。系統原理框圖如圖2所示。

該鋰電池管理系統輸入部分為外部充電電源，輸出部分為應用系統的工作電源，其中鋰電池充放電管理模塊、鋰電池電壓過放保護模塊、鋰電池放電過流保護模塊只是邏輯上劃分，物理上可能集成。

4 單節鋰電池充放電管理方法

依據鋰電池典型充電電壓電流曲線，結合移動通信設備中鋰電池使用特點，當應用系統外部供電掉電時，鋰電池管理系統能夠將應用系統電源無縫切換至采用鋰電池供電， 鋰電池放電時，能及時監測鋰電池過流、過放情況并自動切斷；當應用系統外部供電正常時，能夠根據偵測到的鋰電池電壓情況對鋰電池及時充電，避免浮充等。單節鋰電池充放電管理流程如下。

（1）在外部充電電源供電正常情況下，且在鋰電池未充滿的狀態下，鋰電池充放電管理模塊對鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓進行監測，當監測到鋰電池電壓低于鋰電池充電電壓門限時，啟動鋰電池充電過程，當監測到鋰電池電壓等于鋰電池最高電壓，且充電電流很小時，則停止鋰電池充電過程，避免浮充；

（2）在外部充電電源供電正常情況下，且在鋰電池已經充滿狀態下，鋰電池充放電管理系統對鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓不斷進行監測，若監測到鋰電池電壓低于鋰電池充電電壓門限時，重新啟動鋰電池充電過程；

（3）在外部充電電源供電異常情況下，鋰電池充放電管理系統對鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓進行監測，此時監測到外部充電電源模塊電壓不正常，則啟動鋰電池放電過程；

（4）鋰電池放電過流保護模塊時刻監測鋰電池放電回路中的工作電流大小，當監測到放電回路中鋰電池放電電流大于鋰電池最大放電電流門限時，則斷開鋰電池放電回路；當監測到放電回路中鋰電池放電電流低于鋰電池最大放電電流門限時，重新開放鋰電池放電回路；如此反復。

（5）鋰電池電壓過放保護模塊時刻監測鋰電池當前電壓大小，當監測到鋰電池電壓低于最低放電電壓門限時，斷開鋰電池放電回路，停止鋰電池供電；當監測到鋰電池電壓高于最低電壓門限時，重新開放鋰電池放電回路；如此反復。

鋰電池電壓升壓模塊將單節鋰電池電壓升壓到適于應用系統工作的電壓值，以滿足應用系統所需電壓要求。

5 單節鋰電池管理系統實現

本研究的單節鋰電池管理系統及方法主要在移動通信設備中的嵌入式系統及傳輸系統中應用，整個系統原理框圖如圖3所示。

單節鋰電池應用系統的關鍵技術及難點，主要體現在鋰電池容量的估算及選型，鋰電池電壓升壓器件的選型，鋰電池充放電管理芯片的選型及充放電開關的選型上。

鋰電池容量的估算，需要根據嵌入式最小系統及其外設的功耗及系統要求的鋰電池供電時間進行推算。鋰電池容量計算可采用公式1進行推算并留有余量。

Ii =（（ Ic * Uc） /η1）/ η2 / Ui （1）

其中：

Ii、Ui為鋰電池供電電流、電壓；

Ic、Uc為應用系統工作電流、電壓；

η1、η2為開關電源、升壓DC/DC效率；

鋰電池電壓升壓器件的選型，主要考慮芯片的輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、芯片效率及散熱等。

鋰電池充放電管理芯片的選型，主要考慮芯片的輸入電壓范圍應在應用系統的供電電壓應在其輸入電壓范圍內、芯片充電電流大小及最大放電電流、過充電壓及過放電壓等。

鋰電池充放電開關的選型，建議采用基于MOSFET的大功率開關管。

通過器件選型及相關常溫、高低溫實驗驗證，設計實現的電路在輸入、輸出動態范圍額定負載的情況下輸出電壓穩定，電壓紋波在合理范圍內，實現了單節鋰電池管理系統在產品中的應用，證明了技術方案的可行性。

6 結語

本文提出了一種單節鋰電池管理系統及方法，通過設計實現及實際應用進行了可行性驗證。采用單節鋰電池供電方案，避免了多節鋰電池串聯供電由于鋰電池之間的差異性存在的固有缺陷，增強了鋰電池使用壽命、降低了成本。

參考文獻

[1]International Rectifier.IRF7304 datasheet. http：//www.irf.com.

[2] Intersil.EL7515 datasheet.http：//www.intersil.com.

[3] Seiko. S-8254A datasheet.http：//www.sii-ic.com.

作者簡介

劉豐（1979-），男，江蘇省人。大學本科學歷。現為江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司項目經理，從事無線通信規劃及設計工作。

羅新軍（1975-），男，江西省人。碩士學位。現為江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司高級工程師，從事無線通信規劃及設計工作。

作者單位

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 江蘇省南京市 210019