動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　關(guān)鍵詞：鋰離子動(dòng)力電池組；管理系統(tǒng)；過流；過放電；過充電；均衡控制

　　引言

　　鋰離子電池的廣泛應(yīng)用已有十多年，但早期主要用于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)、DVD等一系列小型移動(dòng)式電子產(chǎn)品，這些場合往往都單串使用，負(fù)載電流較低，安全系數(shù)高。最近兩年來，鋰離子電池以其輕便、高能量密度、無污染等特點(diǎn)，已經(jīng)開始在電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具和動(dòng)力玩具領(lǐng)域上得到快速應(yīng)用，并逐步應(yīng)用于混合動(dòng)力車和電動(dòng)車輛領(lǐng)域。但動(dòng)力鋰離子電池的安全性仍是人們目前最為關(guān)注的問題，所以對(duì)其的保護(hù)就非常重要。除了確保鋰離子電池自身安全性的持續(xù)改進(jìn)，必須同時(shí)研究電池的管理系統(tǒng)，使電池及其應(yīng)用能均衡發(fā)展。鋰離子電池的保護(hù)主要包括過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流及短路保護(hù)等。

　　1 保護(hù)電路的功能

　　1.1 過充電保護(hù)

　　對(duì)鋰離子電池來說，其充電后單節(jié)電芯最高電壓不得超過規(guī)定值，否則電池內(nèi)的電解質(zhì)會(huì)被分解，使得溫度上升并產(chǎn)生氣體，降低電芯的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨?，所以保護(hù)電路一定要保證絕對(duì)不可過度充電，必須對(duì)電池組中每一節(jié)電池的端電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電芯的電壓超過設(shè)定值時(shí)，即激活過充電保護(hù)功能，由保護(hù)電路切斷充電回路，中止充電。在電芯電壓回歸到允許的電壓并解除過充鎖定模式時(shí)，才能停止保護(hù)。不同材料的鋰離子電池其保護(hù)電壓和釋放電壓都有其不同的規(guī)定值。

　　另外，還必須注意因噪聲所產(chǎn)生誤動(dòng)作，為了防止誤判和誤操作，還要設(shè)置過充保護(hù)延時(shí)，并且延遲時(shí)間不能短于噪聲的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)電壓持續(xù)超過過充檢測(cè)電壓一定時(shí)間以上才會(huì)觸發(fā)過充保護(hù)。

　　1.2 過放電保護(hù)

　　鋰離子電池的過度放電，也會(huì)縮短其使用壽命，而且對(duì)電池造成的損害往往是不可逆的。為了防止鋰離子電池的過放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，即激活過放電保護(hù)，中止放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式，參數(shù)設(shè)置類似過充保護(hù)。

　　1.3 過電流/短路保護(hù)

　　鋰離子電池的最大放電電流有一定限制，過大的放電電流同樣會(huì)引起鋰電池的不可恢復(fù)的損壞，影響其使用壽命。

　　短路保護(hù)這個(gè)功能其實(shí)是過流保護(hù)的擴(kuò)展，若由于外部短路等原因引起的大電流放電時(shí)要立刻停止放電，否則對(duì)鋰電池本身和外部設(shè)備都可能會(huì)造成嚴(yán)重的損害。

　　過流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間是微秒級(jí)的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對(duì)電池帶來的巨大損傷。

　　就電動(dòng)工具而言，保護(hù)電流值和延時(shí)時(shí)間的設(shè)置還必須和電動(dòng)工具本身的參數(shù)結(jié)合起來，否則會(huì)影響工具的輸出扭矩和電機(jī)的壽命。

　1.4 電池均衡

　　動(dòng)力鋰離子電池一般都要幾串、幾十串甚至幾百串以上，由于電池在生產(chǎn)過程中，從涂膜開始到成為成品要經(jīng)過很多道工序，即使經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)程序，使每組電源的電壓、電阻、容量一致，但使用一段時(shí)間以后，電池內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)，形成不一致的狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的差異。這種差異體現(xiàn)為電池組充滿或放完時(shí)串聯(lián)電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導(dǎo)致電池組充電的過程中，電壓過高的電池芯提早觸發(fā)電池組過充電保護(hù)，而在放電過程中電壓過低的電池芯導(dǎo)致電池組過放電保護(hù)，從而使電池組的整體容量明顯下降，整個(gè)電池組體現(xiàn)出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，而且使用時(shí)很容易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，且不易發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致提前失效。因此要求保護(hù)電路能夠完成電池單元的均衡操作，用以從具有較高電壓的電池抽取多余的電流，消耗多余的電量，實(shí)現(xiàn)電池均衡，最大限度地發(fā)揮動(dòng)力鋰電池的效用，延長電池的使用壽命，增加安全性。目前常用的均衡方法有儲(chǔ)能均衡和電阻均衡。

　　儲(chǔ)能均衡是利用電池對(duì)電感或電容等儲(chǔ)能元件的充放電，通過繼電器或者開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件在不均衡電池間的切換，達(dá)到電池間的能量轉(zhuǎn)移。這種均衡充電方法一般控制網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，安全性管理要求高，在使用中應(yīng)注意掌握好儲(chǔ)能元件的充放電時(shí)間，其最大的優(yōu)點(diǎn)是充、放電（工作）使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。

　　電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網(wǎng)絡(luò)的通斷對(duì)電池組進(jìn)行分流均衡，這種方法可以同時(shí)對(duì)多節(jié)電池進(jìn)行均衡，控制簡單。但是均衡過程中如果電阻選的過大，則均衡電流太小，效果甚微；如果電阻選的過小，則電阻功率很大，系統(tǒng)能量損耗大，均衡效率低，系統(tǒng)對(duì)熱管理要求較高，需要進(jìn)行溫度檢測(cè)控制。

　　電阻均衡的原理是在電池組充電的過程中，當(dāng)某節(jié)電池充電速度較快，電壓高于其他電池，系統(tǒng)通過控制開關(guān)控制均衡電阻的導(dǎo)通分流，降低電池的充電速度，以達(dá)到各節(jié)電池均衡充電的目的。

　　2 保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于鋰離子電池的保護(hù)方法主要有兩種：單片機(jī)控制和集成電路保護(hù)芯片。

　　2.1 IC控制

　　目前可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池保護(hù)功能的芯片很多，國外、臺(tái)灣、大陸都有很多種芯片可以選擇，目前日系理光和精工的方案采用的比較多，方案成熟，外圍電路簡單，但是價(jià)格比較貴。

　　各種保護(hù)IC實(shí)現(xiàn)的功能相差無幾，其保護(hù)模式和外部線路也大同小異，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇不同IC。選擇IC的時(shí)候要多方考慮，不同型號(hào)的IC的過充電保護(hù)電壓是不同的，有4.25V也有4.35V的，還有IC的自身功耗、外圍電路是否夠簡單、保護(hù)IC的各參數(shù)精度是否符合要求，體積是否足夠小，都要考慮周到。

　　保護(hù)板除了保護(hù)功能完善以外，低功耗也是重要的參數(shù)。為防止過度放電，保護(hù)IC必須檢測(cè)電池電壓，一旦達(dá)到過度放電檢測(cè)電壓以下，就必須關(guān)斷功率MOSFET而截止放電。但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消耗電流存在，因此需要使保護(hù)IC消耗的電流降到最低程度，在保護(hù)狀態(tài)時(shí)，其靜態(tài)耗電流必須要小0.1uA。

　　另外動(dòng)力鋰離子電池包工作或充電時(shí)瞬間會(huì)有高壓產(chǎn)生，因此保護(hù)IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。

　　圖1是以精工S-8254A為保護(hù)IC的4串應(yīng)用原理圖。S-8254 系列內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路，是用于3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)鋰離子或者鋰聚合物可充電電池保護(hù)的IC。通過SEL端子的切換，可用來保護(hù)3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)電池。

圖1 S-8254A 4串保護(hù)原理圖

　　當(dāng)然目前的電池保護(hù)芯片一般最多能保護(hù)4節(jié)鋰離子電池，然而很多應(yīng)用都需要5節(jié)以上的鋰離子電池串聯(lián)工作，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和UPS，此時(shí)又如何解決呢？如圖2所示，該電路可以實(shí)現(xiàn)20A/24V的輸出功率，以精工S-8254AAV作為控制芯片的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，它同時(shí)使用兩個(gè)保護(hù)芯片串聯(lián)在一起，保護(hù)8串鋰離子電池組，過放保護(hù)電壓為2.70V±0.080V，過充保護(hù)電壓為4.250V±0.025V。

圖2 8串動(dòng)力鋰離子電池保護(hù)電路

　　該電路均衡控制采用R5408芯片，電壓測(cè)量精度比較高，均衡電流可達(dá)1A。

　　2.2 MCU控制

　　現(xiàn)有的一些集成電路保護(hù)芯片主要是針對(duì)4節(jié)電芯以下的電池組的保護(hù)，而對(duì)于4節(jié)以上的電池組可以采用多個(gè)單級(jí)保護(hù)芯片串聯(lián)的方式或幾個(gè)多級(jí)保護(hù)芯片串聯(lián)的方式。但這種利用多個(gè)保護(hù)芯片串聯(lián)的方式對(duì)4節(jié)電芯以上的電池組進(jìn)行保護(hù)的電路可擴(kuò)展性差。同時(shí)，集成保護(hù)芯片往往只針對(duì)一種或一類電池的特性，缺乏靈活性，成本往往也比較高。為此，結(jié)合鋰離子動(dòng)力電池的充放電特點(diǎn)，許多場合動(dòng)力鋰離子電池保護(hù)電路，采用以MCU（微處理器）為核心的設(shè)計(jì)方案。

　　以微處理器作為各種功能控制的核心，除了對(duì)鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護(hù)，有效地對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供動(dòng)態(tài)均衡、溫度保護(hù)、短路保護(hù)外，同時(shí)可以提供如容量預(yù)測(cè)、通訊、身份識(shí)別等功能。

　　3 硬件抗干擾措施

　　動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的一部分，會(huì)經(jīng)常受到各種電磁干擾