高效鋰離子電池管理系統及其均衡充電方法

李菁

摘要

隨著國家對環境保護的愈加重視，為了能夠有效地化解能源緊缺和環境污染的危機，人們正在對鋰電池的發展不斷進行深入的研究。高效鋰電池由于具有優良的性能而得到了人們的廣泛關注，對鋰電池的管理系統進行了優化，為了得到理想的電壓和功率，就需要將鋰電池進行串聯使用，但是由于各個串聯體之間物理和化學性質的差異，導致鋰電池的利用率比較低，并且容易引發安全隱患，嚴重阻礙了鋰電池技術的快速發展。本文對鋰電池的管理系統和均衡充電方法進行了系統性的研究，具有重要的實踐意義。

【關鍵詞】高效鋰電池 管理系統 均衡充電利用率 研究

高效鋰離子電池的管理系統主要應用于電動汽車的動力研究方面，世界上各個國家及高效都已經投入了大量的資源來進行相關的研究，并且已經取得了理想的研究成果，高效鋰電池的管理系統主要是實現鋰電池組在使用過程中保持高效、穩定、可靠的運行。鋰電池組應該具備對外部參數檢測、熱分散、均衡控制、故障診斷和報警等使用功能。此外，隨著國家對節能環保要求標準的不斷提高，節能效益已經成為了衡量鋰電池性能優劣的重要指標，鋰電池的均衡充電技術已經有簡單的耗散型進化為復雜的非耗散型，主要涉及到均衡電路設計、均衡電路優化、管理系統檢測等方面。

1 高效鋰離子電池管理系統

根據高效鋰離子電池的物理和化學性能特性，鋰電池應該能夠有效地滿足用戶用電裝置信息實時把控的性能要求，通常來說高效鋰離子電池管理系統具有下列功能特點：

1.1 外部參數的檢測

主要是測試鋰電池單節的端電壓、串聯電池組工作的溫度和單節鋰電池之間固定位置處的溫度，此外，還需要檢測整個鋰電池組的總電壓和充電及放電時的總電流，根據上述測量數據，實現鋰電池組效率利用的最大化;

1.2 繼電保護電路

保護電路是在鋰電池組充電時對電池組總電壓過壓和總電流過流進行保護，當用電裝置進行放電的時候總電壓一般是欠壓狀態，這時候就需要進行總電流過流保護，避免設備受到損傷;繼電保護還需要對鋰電池組溫度異常的工況進行及時的判斷，并設置二級報警系統，從而保證在異常事故發生時能夠及時采取相應的故障保護措施，比如常見的主回路繼電保護控制、風扇型啟動及關停控制。

1.3 鋰電池運行工況判斷

繼電保護裝置綜合采集模塊獲得的電池組總的電壓、電流和溫度等基本信息，進一步對鋰電池組的SOC裝置進行在線評估，并相應地做出后續的時間檢測，從而為用戶提供理論和實踐意義上的參考價值。

1.4 鋰電池各單體間不一致性均衡控制

主要是通過鋰電池組總電壓檢測和SOC裝置在線檢測，先對各個鋰電池單體進行不一致的評估測算，進而對均衡充電模塊進行有效的控制，從而實現各個鋰電池單體之間的均衡控制;通過控制均衡電源的輸出總電壓和總電流的大小，從而可以避免在均衡充電過程中因充電電流國發而導致鋰電池單體超壓的現象。

1.5 外部裝置的通信

鋰電池組與用電裝置通過CAN進行網絡通訊，進而把鋰電池組的狀態信息和異常故障信息發送給整車控制器，同時接受相應的控制指令，進而確保鋰電池管理系統內部CAN網絡節點之間通訊的正常運行。

2 高效鋰離子電池管理系統的設計

2.1 高效鋰離子電池管理系統的結構設計

高效鋰電池的管理系統功能比較多且控制系統復雜，在運行的過程中需要檢測的參數種類繁多、計算量較大，如果要充分地實現高效的管理模式，就需要對控制芯片的運算能力有著更高更全面的要求。通常來說，根據高效鋰電池的系統功能要求，可以采用分布式結構模型，由多塊外部參數收集模板組合而成，控制芯片的主板和外部都是由均衡充電控制單元組合而成，各個收集板與主板之間經過CAN進行網絡信息之間的互換，控制收集板的鏗電池單體數是由電池組管理系統控制的對象進行確定，芯片主板根據檢測到的鋰電池總電流、總電壓和溫度等數據參數對電流進行全面的控制，從而實現鋰電池的均衡控制和整個鋰電池外部各個系統之間的數據交換通信等控制目標。

2.2 高效鋰離子電池管理系統的硬件電路設計

高效鋰離子電池管理系統一般是基于EKl計算方法估算出鋰電池組實時運行時的SOC在線顯示數據，那么就需要統籌考慮管理系統運行時總電壓電流值、初始的SOC在線運行數據和鋰電池組長時間的自放電現象。一般來說，控制芯片的供電電壓可以選擇5V或者3.5V，控制芯片配置有晶振和微電池，從而可以保障管理系統在失電的故障工況下還能夠安全、穩定地運行。此外，控制芯片上還配置有10Kb容量的RAM，這樣管理系統在運行時就可以對系統失電保護數據進行實時的存儲。

2.3 高效鋰離子電池管理系統的軟件設計

如果要順利地實現BMS系統的管理功能，那么硬件設備就要充當管理系統的外在框架角色，而軟件則是管理系統的核心內容。評價管理系統的穩定性和可靠性，就需要綜合考慮管理系統的硬件電路和軟件設計。在進行鋰電池管理系統設計時，需要充分分析軟件能夠具備的各項功能，然后才能夠進行軟件的總體框架設計，一般是將管理系統軟件劃分成為若干個子模塊，根據不同模板的運行功能，進行單獨的設計、代碼編輯和測試計算，從而將各個子模塊進行整合測試，然后就可以實現整個管理系統軟件的全部功能。

鋰電池管理系統軟件主程序的主要功能是實現DSP電路的設備配置，對定時元素進行初始化，并設置管理系統的運行節點、A/D轉換器、CAN控制模塊，上述設置可運用于功能中斷，通過系統的不斷循環功能來實現鋰電池組以及各個單體之間信息的實時采集和狀態監控等使用性功能。

高效鋰電池組放電工況評價子程序的主要功能是檢測鋰電池組及各個單體在放電過程中能否出現溫度異常、回路電流是否超標、總電壓是否超壓等不利運行條件，如果管理系統出現運行的異常工況，該子程序就會自動地發出報警控制信息，從而能夠及時采集系統異常的原因，進而保障整個管理系統能夠穩定高效地運行;鋰電池組運行狀態判斷子程序的主要功能則是監控鋰電池組和各個單體之間在均衡充電時是否存在超壓過流以及超溫的不利因素，一旦發現異常，子系統就可以及時記錄事故發生的原因并發出異常報警信號，從而實現管理系統控制設備的穩定運行。溫度模塊轉換流程圖如圖1所示。

高效鏗電子均衡控制子程序是以實現鋰電池組各個單體電壓的一致性為檢測目標，當發現各個單體之間的電壓存在不一致現象時，鋰電池組的均衡控制子程序將會保持各個單體之間的電壓一致性運行在允許的安全范圍內。在實際運用過程中，可以根據工程的具體情況來設置兩個一致性的極限值，如果能夠實現子程序中的一致性運行要求，那么就可以認為實現了均衡控制的目的，可以實現鋰電池組的一致性運行需要。

3 高效鋰離子電池均衡充電方法

高效鋰離子電池組通常是由若干個鋰電池單體串聯生成，每個鋰電池單體都設置有一個相對獨立的均衡單元，該單位一般是由一個鉗位電路、一個控制開關和一個原邊繞組組合而成，這種控制體系能夠保障整個鋰電池組的均衡。由于各個鋰電池單體都需要設置一個均衡單元，這樣就增大了均衡控制單位的體積，造成了大量的熱損耗和運行成本的增大，不能夠實現較好的經濟效益。提高鋰電池組一致性的方式是多種多樣的，常用的均衡充電方法主要有單體均衡和荷電狀態均衡。

3.1 高效鋰離子電池電壓均衡充電方法

高效鋰離子電池的電壓均衡充電方法主要是實現各個單體電壓之間的一致性均衡，各個鋰電池單體在很大程度上可以反映出鋰電池的內部特征，并且可以有效地防止鋰電池組出現過沖過放的不利現象。然而，當鋰電池組使用的次數比較多或者是在復雜的運行工況時，鋰電池組的阻力就不能再視為恒定值，此時的端電壓就不能正確地反映出鋰電池組內部的特征，如果一味地將鋰電池電壓均衡充電方法當成是提高一致性的最佳模式，就會不可避免地造成更大的誤差，危及系統的穩定運行。

3.2 高效鋰離子電池荷電均衡充電方法

高效鋰離子電池的荷電均衡充電方法是以各個鋰電池單體的荷電數據作為一致性均衡的主要依據，在實現系統的均衡過程中，主要是通過鋰離子電池組的管理系統對荷電數據進行檢測核算，經過數據比較，當出現不一致的運行工況，就可以啟動均衡模塊來實現對鏗電池組的均衡控制，該方法能夠在任何運行工況下較好地反映出鋰電池組的內部特征，能夠有效地解決過充放的不利運行現象。荷電均衡充電方法是目前主要研究的均衡方式，這種均衡充電方式比較理想，但是實現的過程相對復雜一點。

4 結語

高效鋰離子電池是新型發展的能源形式，能夠有效地緩解社會能源緊張的局面，還可以減少傳統能源的使用，具有非常明顯的社會和環保效應，但是人們對于鋰電池的管理系統和均衡充電方法還存在著一些認識上的不足，需要今后投入更多的資源去攻克實踐中的技術難點。

參考文獻

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