雷晶晶，李秋紅，陳立寶，張金頂，王太宏

（湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理與微電子科學(xué)學(xué)院微納技術(shù)研究中心，湖南長沙 410082）

受到能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)等因素影響，純電動(dòng)汽車做為一種新興的交通工具，由于其能源利用率高、無排放、噪聲小以及能量來源多樣化等優(yōu)點(diǎn)[1-2]成為汽車工業(yè)一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車存在續(xù)航里程有限、蓄電池使用壽命太短以及蓄電池尺寸和質(zhì)量的制約等缺點(diǎn)[2]，而鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、無污染、質(zhì)量輕、自放電小[2]等特點(diǎn)，可以很好地解決以上問題，所以基于鋰離子電池的電動(dòng)汽車受到越來越多人們的關(guān)注，鋰離子電池已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車的候選能源之一[3-4]。目前，包括本田、豐田、通用等世界主要的汽車制造商都有在2010年推出鋰離子電動(dòng)汽車的計(jì)劃，國內(nèi)的比亞迪、吉利、奇瑞也都有類似的計(jì)劃。

純電動(dòng)汽車的電壓要求一般在100 V以上，為了達(dá)到這個(gè)工作電壓，必須把幾十個(gè)乃至上百個(gè)單體電池串并在一起，比如文獻(xiàn)[5]所報(bào)道的萬向電動(dòng)汽車，使用了84只鋰離子電池單體串聯(lián)[5]。電動(dòng)自行車一般要求電壓在48 V左右，所以用于電動(dòng)自行車的鋰離子電池組一般由12～13個(gè)單體電池組成。

由于鋰離子電池的生產(chǎn)工藝限制，鋰離子電池單體之間存在容量、電壓、內(nèi)阻等等的不一致，即使在同一批電池中也會(huì)存在差異。另外，即使是電池組在出廠的時(shí)候一致性比較好，在以后的使用過程中，這種不一致會(huì)隨著電池組的循環(huán)次數(shù)的增加而增加。鋰離子電池組中，單體不一致會(huì)造成電池組無法發(fā)揮最大容量，而且會(huì)極大地縮短電池組的使用壽命。另外，由于鋰離子電池的特殊性，在使用中如果發(fā)生過充、過放及過流等，會(huì)對電池造成不可逆的損壞，甚至造成安全事故。所以，在鋰離子電池組用于電動(dòng)汽車之前，首先要解決的問題之一就是對電池組的管理[6-8]。

1 動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

早期的鋰離子電池管理系統(tǒng)一般只具有監(jiān)測電池電壓、溫度、電流以及保護(hù)等簡單功能，隨著鋰電池越來越多地應(yīng)用于大功率設(shè)備，如電動(dòng)汽車，對電池管理系統(tǒng)的要求越來越高，鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能也越來越強(qiáng)。一般認(rèn)為，鋰離子電池組管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾個(gè)功能：電池組外部參數(shù)的檢測、電池狀況判斷和剩余電量的估計(jì)、電池組的充放電控制、電池電量均衡、提供與外部設(shè)備通信的功能[8]。目前電池外部參數(shù)的檢測技術(shù)己趨于成熟，現(xiàn)在鋰離子電池管理系統(tǒng)研究的重點(diǎn)是電池剩余電量估計(jì)和電池組的均衡。

1.1 電池外部參數(shù)的檢測

電池外部參數(shù)的檢測主要包括電池組中單體電池電壓、工作電流和電池溫度的檢測。通過這些參數(shù)可以判斷電池的工作狀態(tài)。

1.1.1 電壓的檢測

在所有的電池參數(shù)中，鋰離子電池的電壓最能體現(xiàn)電池的狀況。鋰離子電池過充過放的依據(jù)即是鋰離子電池的端電壓，也可以通過測量端電壓初步估計(jì)鋰離子電池的SOC。所以對鋰離子電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測是非常重要的。鋰離子電池組的檢測方法主要有四種[9-12]。傳統(tǒng)的測試方法是用繼電器和電容做隔離處理[13]。其測試原理是：首先通過電容對電池電壓進(jìn)行取樣，再通過檢測電容的電壓就可以得到電池的電壓。第二種方法是浮動(dòng)地技術(shù)測量電池端電壓，測量時(shí)窗口比較器自動(dòng)判斷當(dāng)前地電位是否合適，如果正好，啟動(dòng)A/D進(jìn)行測量，如果太高或太低，則通過控制器經(jīng)D/A對地，對電位進(jìn)行浮動(dòng)控制。第三種方法是共模檢測法，共模測量是相對同一參考點(diǎn)，利用精密電阻等比例衰減測量各點(diǎn)電壓，然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。第四種方法是差模檢測法，采用運(yùn)算放大器消除電池兩端的共模電壓，完成對電池電壓的采樣。

第一種測量方法原理簡單，但是檢測精度低，且檢測時(shí)間長。浮動(dòng)地技術(shù)測量由于地電位經(jīng)常受現(xiàn)場干擾發(fā)生變化，不能對地電位進(jìn)行精確控制，因此會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的測量精度[14]。共模測量法電路簡單，測量精度低，只適合于串聯(lián)電池?cái)?shù)較少或者對測量精度要求不高的場合。差模測量法精度比其他三種方法都好，如圖1所示的差模檢測電路，適用于12節(jié)以下的串聯(lián)電池組。在電池組單體電池?cái)?shù)量比較多的情況下，一般是以12節(jié)為一個(gè)電壓檢測模塊，再通過總線把所有模塊連接在一起。差模檢測電路中，由于電壓測量電路漏電流的影響，會(huì)造成電池組靠近負(fù)極的電池的電量消耗過多，導(dǎo)致電池組的不一致。解決辦法：一是提高檢測電路的輸入阻抗；二是在檢測回路中加入控制開關(guān)；三是在電池組合的過程中，可使靠近電池組負(fù)極的電池容量稍大于靠近正極的電池容量，這樣有利于減少因電壓檢測電路所引起的電池組的不一致[15]。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，還有一種方法是對每個(gè)電池配置一個(gè)帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，或者電壓檢測芯片，這些單片機(jī)或者專用芯片由主控單片機(jī)統(tǒng)一控制，檢測到的數(shù)據(jù)再通過一個(gè)光耦隔離傳遞給主控單片機(jī)。目前也有一些芯片廠商推出一些專用于鋰離子電池組電壓檢測的芯片，如Linear公司推出的LTC6802，可以對4～12節(jié)的鋰離子電池組進(jìn)行電壓檢測，大大降低了電壓檢測的復(fù)雜度。

1.1.2 電流和溫度的檢測

電池組的工作電流和溫度也是電池組一個(gè)重要的參數(shù)，可以通過電流判斷其是否出現(xiàn)過放和過流，還可以通過計(jì)算電流與時(shí)間的積分，估計(jì)電池的SOC等。而檢測電池組的溫度主要為了防止電池組溫度過高，防止發(fā)生安全事故，檢測溫度一般是在電池組中加入多個(gè)溫度傳感器，檢測電池組中各個(gè)點(diǎn)的溫度。由于動(dòng)力鋰離子電池組的電流往往比較大，電流的檢測一般采用霍爾電流傳感器。

1.2 SOC檢測

SOC（State of Charge）的定義為電池組的荷電狀態(tài)，也可以通俗理解為剩余電量。隨著鋰離子電池組在電動(dòng)汽車中越來越多的應(yīng)用，電池組的SOC檢測對于電動(dòng)汽車的運(yùn)行極其重要，SOC決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。由于電池組的特殊性，電池組的SOC受諸多因素影響，包括工作電流、溫度、自放電以及電池組的循環(huán)次數(shù)等，所以檢測比較困難。

1.2.1 SOC檢測的現(xiàn)狀

SOC的檢測方法目前應(yīng)用較多的有開路電壓法、庫侖計(jì)量法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法[16]等等。開路電壓法是目前最簡單的方法，根據(jù)電池的特性得知，開路電壓和電池的容量存在一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)弥姵氐拈_路電壓，就可以初步估算電池的SOC。這種方法在充電初期和末期效果比較好，缺點(diǎn)在于精度不高，而且只適用于靜態(tài)檢測，不適合在線檢測[17]。

內(nèi)阻法和開路電壓法一樣，也是利用電池內(nèi)阻和電池的電量存在的一定的函數(shù)關(guān)系來判定電池的SOC，一般用于鉛酸電池和氫鎳電池。鋰離子電池組內(nèi)阻的在線測量包括了接觸電阻以及單體電池的輪換選擇，因此內(nèi)阻測量誤差較大，而由于鋰離子的整個(gè)循環(huán)過程中內(nèi)阻變化不大，所以靠內(nèi)阻來判斷鋰離子電池組的SOC準(zhǔn)確性也比較差。

庫侖計(jì)量法是通過計(jì)算電池組電流與時(shí)間的積分，計(jì)算鋰離子電池組充入和放出的電量，再與電池的額定電量比較即可得知電池組的SOC。此方法簡單、穩(wěn)定、精度也相對比較好。但這種方法是建立在對電流精確測量的基礎(chǔ)上的，電流測量的誤差直接影響SOC的計(jì)算，而且會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差[18]。另外，受鋰離子電池在低溫下和大電流下的放電效率下降[19]及自放電等影響，進(jìn)一步降低了SOC的檢測精度。所以庫侖計(jì)量法的關(guān)鍵在于后期的校正。

1.2.2 SOC檢測的發(fā)展趨勢

在目前的應(yīng)用中，對SOC精度要求比較低的管理系統(tǒng)一般可以采用簡單的開路電壓法，而對SOC精度要求比較高的系統(tǒng)，比較好的選擇是庫侖計(jì)量法。庫侖計(jì)量法的關(guān)鍵是后期的校正，目前常用的方法是采用電壓校正，與開路電壓法相結(jié)合，檢測精度有所提高。目前研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者卡爾曼濾波法等，考慮一些電池組循環(huán)變化、電池老化、溫度等影響，SOC的檢測精度會(huì)進(jìn)一步提高。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法的算法復(fù)雜，目前還未得到具體的應(yīng)用。

目前實(shí)現(xiàn)電池SOC的芯片很多，比如TI的BQ27Zxxx系列、BQ2060，MAXIM的DS2786、DS2781/2788等。除了TI的BQ 27Zxxx是采用阻抗跟蹤法之外，其他都是采用的庫侖計(jì)量法。不過這些芯片一般都是用于筆記本電腦等精密便攜式產(chǎn)品當(dāng)中，在動(dòng)力鋰離子電池組的SOC檢測方面還未出現(xiàn)類似的專用芯片。

1.3 電池組的均衡

電池組中各個(gè)單體電池之間存在電壓、內(nèi)阻和容量等的差異，而且電池組經(jīng)多次循環(huán)之后這差異會(huì)更加明顯。造成這種差異主要原因有：（1）鋰離子電池制作工藝限制，即使同一批次的電池也會(huì)出現(xiàn)不一致；（2）電池組中單體電池的自放電率不一致；（3）電池組使用過程中，溫度、放電效率、保護(hù)電路對電池組的影響。

可以通過工藝的方法，降低電池間的差異，消除這種差異，也可以在遴選電池的時(shí)候選擇一致性比較好的電池[20]，把一致性好的電池配組在一起，使組合后的電池組平均放電容量達(dá)到單體電池最小平均放電容量值。除了這兩種方法還可以使用均衡電路使電池組的電池保護(hù)一致。電池組的均衡一般是以電壓均衡為目標(biāo)，輔之以電量的均衡。

1.3.1 電池組均衡的現(xiàn)狀

目前鋰離子電池均衡管理的方法可以分為耗能型和非耗能型。耗能型是將電池組中電壓高于平均電壓的電池釋放一部分能量，使其電壓接近平均值。而非耗能型是在單體電池之間或者單體電池與整個(gè)電池組之間進(jìn)行能量交換或者能量轉(zhuǎn)移。

耗能型是通過在單體電池并聯(lián)一個(gè)功率電阻和一個(gè)開關(guān)進(jìn)行分流，將電池組中電壓高的單體電池多余的能量釋放，達(dá)到電池組電壓均衡，如圖2所示。這種均衡方法簡單、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是存在能量的浪費(fèi)、均衡時(shí)間長和散熱的問題，一般只用于充電狀態(tài)下的均衡。由于其簡單可靠，所以目前鋰離子電池組使用最多的就是這種均衡方法。

由于耗能型均衡在能量利用方面的缺陷，又發(fā)展了非耗能型的均衡方法。非耗能型均衡方式一般是使用儲能元件轉(zhuǎn)移能量使電池組電壓保持一致，這種方式均衡電流大、均衡效率高，但是電路、控制都比較復(fù)雜?？煞譃槟芰哭D(zhuǎn)換均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡兩種。

能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過反激轉(zhuǎn)換器由鋰離子電池組整體向單體電池進(jìn)行補(bǔ)充或者由單體電池向電池組進(jìn)行補(bǔ)充。由此能量轉(zhuǎn)換均衡方式可分為兩種，可以分為上限均衡和下限均衡。所謂上限均衡就是當(dāng)電池組中某個(gè)電池的電壓高于平均電壓時(shí)，通過變壓器把這個(gè)電池多余的能量反饋到整個(gè)電池組上去。而下限均衡是當(dāng)某個(gè)電池的電壓低于平均電壓時(shí)，通過變壓器把能量從電池組轉(zhuǎn)換到指定的電池上去。由于同軸線圈存在一定的能量損失，造成均衡效率降低，同時(shí)也造成均衡電路體積大，線圈繞組較難控制。

能量轉(zhuǎn)移式均衡是通過使用儲能元件把能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池。這種方式可以使用開關(guān)電容來實(shí)現(xiàn)[21]，由電容傳遞相鄰電池的能量，將電荷從電壓高的電池傳到電壓低的電池，達(dá)到均衡。這種方法的缺點(diǎn)在于控制復(fù)雜，無法用于數(shù)量多的電池組，由于電池組中兩個(gè)電池的壓差比較小，造成電容充放電的時(shí)間過長，從而造成均衡的時(shí)間過長，這種方法也稱為飛渡電容法。能量轉(zhuǎn)移式也可以使用電感來實(shí)現(xiàn)，由電感及開關(guān)器件組成DCDC變換器[22]，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電池間電量的轉(zhuǎn)移，如圖3所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于電量轉(zhuǎn)移效率高，通常能達(dá)到80%以上，且均衡的時(shí)間短；其缺點(diǎn)在于只能在相鄰兩電池之間進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，對于非相鄰的電池需要進(jìn)行多次電量轉(zhuǎn)移，在兩電池相距較遠(yuǎn)的時(shí)候，電量轉(zhuǎn)移效率下降較快，所以這種均衡方法需要一個(gè)比較好的算法，協(xié)調(diào)整個(gè)電池組的均衡，避免對兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的電池進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移。

還有一種基于總線的均衡方式，均衡單元把電壓高的電池多余的能量通過DCAC變換，再通過變壓器耦合，傳遞到總線上，然后再通過ACDC模塊把電量充入電壓低的電池，這種方式傳遞的效率較高，易于模塊化，適合串聯(lián)數(shù)量比較大的電池組，但是成本比較高。

1.3.2 電池組均衡的發(fā)展趨勢

在均衡方法上，由于耗能式均衡存在能量浪費(fèi)問題，不符合節(jié)能減排的政策，所以在動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用上，耗能式均衡未來將會(huì)被非耗能式均衡所取代。但是非耗能式均衡也存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，均衡等問題，這也是亟待解決的問題。用于動(dòng)力鋰離子電池組的均衡方法，應(yīng)朝大電流、高效率方向發(fā)展，在均衡的控制策略上，應(yīng)該采取智能化均衡算法，把電壓的均衡和容量的均衡結(jié)合起來，使均衡更加精確。

2 動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

（1）高度集成化，隨著鋰離子電池越來越多地應(yīng)用于功率設(shè)備，對串聯(lián)的電池?cái)?shù)量要求越來越高，串聯(lián)電池?cái)?shù)量的增加會(huì)增加電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高管理系統(tǒng)的集成度可以降低電路的體積、功耗、成本等。目前有很多芯片廠商也推出了一些鋰離子管理芯片，比如比亞迪微電子的BM 309/310,可以對四串鋰離子電池進(jìn)行管理，也可以級聯(lián)對數(shù)量更多的電池組進(jìn)行管理。還有凹凸科技OZ890，可以提供對13串電池的管理，也可以級聯(lián)。這些芯片都大大降低了鋰離子電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度。

（2）均衡方式向非耗能式均衡變化，減少均衡時(shí)間，提高均衡效率，采取更加智能的均衡策略，使均衡更加精確。

（3）采用分布式模塊化設(shè)計(jì)，可以級聯(lián)，方便擴(kuò)展，方便構(gòu)成大型的鋰離子電池組。

（4）在大功率的應(yīng)用場合，與系統(tǒng)其他設(shè)備緊密結(jié)合（如充電設(shè)備、電機(jī)控制設(shè)備）相互協(xié)調(diào)。

（5）低功耗，減少管理系統(tǒng)的能量消耗，提高電池組的能量利用率。

（6）電池組過充過放保護(hù)應(yīng)考慮內(nèi)阻的因素，而不僅僅考慮單體電池端電壓，使保護(hù)更加精確，充分發(fā)揮電池的容量。

鋰離子電池由于其相對于其他電池的諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車的能量來源候選之一。但是由于鋰離子本身的特性，需對其進(jìn)行安全管理。本文介紹了鋰離子電池管理系統(tǒng)中電池外部參數(shù)檢測、SOC估計(jì)和電池組的均衡現(xiàn)狀，并介紹了其發(fā)展趨勢，也對動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)發(fā)展方向做出了展望。

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