便攜式應急電源鋰電池的BMS設計思路分析

摘" 要：基于鋰電池的便攜式電源易受到溫度、環境等因素影響。為此，研究為便攜式電源鋰電池配置電源管理系統（Battery Management System， BMS），并設計充放電控制、電池均衡、電池狀態監測等模塊，以保障電源的安全與穩定。便攜式電源性能分析中，BMS系統相比原有系統，其在充放電溫度調控上更好，充電最大溫度控制在42.2 ℃，放電溫度控制在43.1 ℃，低于原有系統。此外，BMS系統在報警效率、斷定響應以及系統穩定度均優于原有系統。可見，電源BMS設計能改善電源綜合性能。研究內容將為便攜式電源安全提供技術參考。

關鍵詞：便攜式應急電源" 鋰電池" 電源管理系統" 設計思路" 安全

中圖分類號：TM73

Analysis of BMS Design Ideas for Portable Emergency Power Lithium Battery

CHEN Kaifeng" CHEN Hanxiang" LIU Zhou" XIONG Haiqiang

State Grid Jiangxi Electric Power Co.， Ltd. Nanchang Power Supply Branch， Nanchang， Jiangxi Province， 330000 China

Abstract： Portable power sources based on lithium batteries are susceptible to factors such as temperature and environment. To this end， research is being conducted on configuring a Battery Management System （BMS） for portable power lithium batteries， and designing modules such as charge and discharge control， battery balancing， and battery status monitoring to ensure the safety and stability of the power supply. In the performance analysis of portable power supplies， the BMS system has better control over charging and discharging temperatures compared to the original system. The maximum charging temperature is controlled at 42.2 ℃ and the discharge temperature is controlled at 43.1 ℃， which is lower than the original system. In addition， the BMS system outperforms the original system in terms of alarm efficiency， determination response， and system stability. It can be seen that the design of power BMS can improve the overall performance of the power supply. The research content will provide technical references for the safety of portable power sources.

Key Wwords： Portable emergency power supply; Lithium batteries; Battery mManagement sSystem; Design concept; Safetyecure

便攜式應急電源被廣泛應用于救援、意外停電、搶險等場景，其需要具備良好的穩定性、安全性與輕便性要求[1]。當前，由于鋰電池具有高能量密度、長循環壽命和優異的環境適應性，成為便攜式應急電源的首選能源載體[2]。不過鋰電池高溫、擠壓場景容易出現燃燒、爆炸等風險，保障便攜式電源的安全與穩定是便攜式電源設計的關鍵。目前，鋰電池電源管理系統（Battery Management System， BMS）設計在電源安全與穩定方面發揮關鍵作用。BSM設計思路的核心功能包括電池狀態監測、充放電控制、故障診斷、溫度管理、能量優化等，這些功能不僅確保電池正常運行，還能避免因過充、過放、過熱等現象造成電池損壞和安全事故[3]。因此，為了保障便攜式電源鋰電池的溫度與安全，研究對便攜式電源的BMS設計進行研究。研究的創新點為在電源BMS系統設計考慮電源溫度與穩定性要求，對電源溫度、穩定性進行調控，保障電池安全與穩定。研究內容將為便攜式電源的設計與改進提供技術支持。

1" 基于BMS思路的便攜式應急電源鋰電池設計

1.1" 基于BMS的模塊化設計

為了滿足應急便攜式電源安全與性能要求，研究采用BMS進行電源設計，主控選取Tiny210，以滿足電源安全管理要求。在BMS電源設計中，其包含了電池狀態監測、充放電控制、電池均衡模塊、熱管理等模塊。

在便攜式電源的設計中，研究充分考慮了電池的安全與能效。其中還包含報警與顯示單元模塊，其借助BMS對鋰電池安全狀態的監測，通過顯示器顯示電源電量、溫度、電源狀態等信息。系統各個模塊及其功能具體如下。

（1）電池狀態監測模塊。該模塊負責實時監測電池的電壓、電流和溫度等關鍵參數。其通過內部模數轉換器檢測各節電池的電壓，通過外接溫度傳感器實時監測電池組的溫度，并測量充電與放電電流。當電池電壓超過設定的上限或低于下限時，其會觸發保護功能，防止電池損壞。（2）充放電控制模塊。充電模式設計包括了恒流充電、恒壓充電以及涓流充電，系統采用分流器來監測電流情況。（3）電池均衡模塊。該模塊是系統核心模塊之一，采用BQ78PL116主控，根據系統監測的溫度、放電等信息設置安全閾值。當超過閾值時，系統將通過主動均衡策略調節，確保電池狀態穩定。（4）熱管理模塊。該模塊主要負責監控電池組的溫度，研究中采用DS18B20芯片作為檢測單元，其中設置了溫度閾值范圍，超過閾值系統關閉充電或放電回路，防止電池過熱損壞。（5）通信模塊。系統通信模塊通過I2C總線與數字隔離器進行通信，確保與主控制器的數據交換。此外，BMS還可通過CAN總線與其他設備進行數據交換，實現電池組內各個模塊之間的通信。

1.2" BMS系統荷電狀態計算

在便攜式鋰電池電源設計中，BMS需要實時監測電源各個參數，并根據監測參數，如電流、電壓、溫度等計算電源荷電狀態，從而為電源均衡處理提供數據基礎。適用于便攜式應急電源荷電計算的方法有很多，包括了安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法等[4]。為了更準確地對電荷進行測算，研究采用開路電壓法測量方法。計算電荷前需要人工獲得便攜式電源的溫度、電流、電壓等參數。

首先，處于靜置狀態采用庫倫計數器測電荷差，則在時間點與的荷電變化如式（1）所示[5]。

式（1）中：為電池節數；表示荷電狀態。

其次，考慮充放電環節的電池衰減問題，因此加上了循環次數等因素，優化后得到電源剩余容量最大值如式（2）所示[6]。

式（2）中：表示最大電荷差值；表示充放循環參數值；表示電源衰減系數。

再次，研究對充放電下電源最大剩余容量進行計算，如式（3）所示。

式（3）中，表示電源最大循環次數[wl5] 。

最后，研究根據斜率平滑函數與電源最大剩余容量，得到最終系統單節電池荷電狀態計算值如式（4）所示。

2便攜式電源效果分析

接下來，研究將對便攜式電源進行性能分析。該便攜式應急電源鋰電池采用6650電芯，尺寸為26 mm×65 mm，額定容量為5 000 mAh，共10節電池，總容量為50 000 mAh。同時，研究采用同樣電芯容量電池原系統進行對比。比較兩種便攜式電源充放電溫度調控性能比較如圖2所示。

圖2 電源充放電溫度調控對比

圖2（a）為電源充電溫度調控對比結果。研究選取充電250 min進行測試，由曲線來看，隨著時間的增加兩種電源溫度均不斷升高。相比較而言，BMS系統電源對溫度調控更好，并且充電時間到達180 min后，溫度最大為42.2 ℃，后續電池逐步飽和采用涓流充電，溫度逐步下降。而原有系統充電到達180后并未采取有效的調溫策略，溫度在250 min到達46.5 ℃。圖2（b）為放電溫度調控情況，放電持續時間為160 min。根據曲線來看，原系統溫度漲幅明顯更快，在90 min鐘后達到最大43.1 ℃，并在后續保持穩定。而BMS系統則溫度控制明顯更低，在120 min達到最大溫度36.5 ℃，后續保持穩定。對兩種電源系統綜合性能進行測試，如表1所示。

根據表1便攜式電源兩種控制系統對比來看，BMS系統自帶了故障監測與診斷功能，原有系統則沒有。兩種系統均有報警與異常斷電功能。整體來看，BMS系統電源表現最好。在SOC穩定度調控上，BMS系統達到98.37%，而原系統為80.25%；在電源異常斷電響應上，BMS為0.15 ms，而原有系統為1.25 s；在電源高溫、電壓越限等場景測試中，BMS系統報警率均表現最好。

3" 結論

研究針對便攜式應急電源鋰電池的安全與性能問題，設計了一種鋰電池BMS用于便攜式電源的安全管理。BMS設計中包括了充放電控制、電池均衡模塊、熱管理等模塊，從而實現對便攜電源的性能與安全的高效管理。最后對電源兩種系統進行測試，BMS系統SOC穩定度調控為98.37%，優于原有系統。此外，在充放電溫度控制、故障診斷、安全報警、穩定調控上均優于原有系統。該項研究將為鋰離子便攜式電源的管理與性能調控提供技術支持。

參考文獻

[1]祝國璽，孫富，鞠江偉，等.高比能高安全的柔性鋰電池設計[J].科學通報，2024， 69（10）：1257-1278.

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[3]敖文杰，陳家偉，陳杰，等.燃料電池-鋰電池混合供電系統的無源控制策略及參數設計方法[J].電工技術學報，2024，39（2）：580-594.

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[5]王羽，周星，王睿茜，等.面向BMS應用的鋰離子電池析鋰診斷方法綜述[J].中國電機工程學報，2024，44（21）：8444-8462.

[6]謝應廣，彭石林.基于LTC6811的鋰電池管理系統設計與實現[J].電子設計工程，2023， 31（13）：46-50.