■文/公安部檢測(cè)中心 孫桓 郝民歡 程碩 王新雨 楊金喜

關(guān)鍵字：鋰電池管理系統(tǒng) 荷電狀態(tài)估計(jì) 均衡

1 引言

鋰電池由于其綠色環(huán)保、高能量密度、使用壽命長(zhǎng)、安全性能好、充電速度快、溫度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各類便攜式電子產(chǎn)品中。與傳統(tǒng)的鎳鎘、鎳氫等二次電池相比，鋰電池有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。

表1 各電池性能比較

與其它電池相比，鋰電池的容量容易受溫度影響而衰退，且無(wú)法耐受過(guò)熱、過(guò)放電、過(guò)充電和過(guò)電流，錯(cuò)誤使用鋰電池甚至?xí)?dǎo)致爆炸。這些缺陷使得鋰電池的保護(hù)更加重要。此外，高功率輸出、高容量的需求需要將單體鋰電池串并聯(lián)后組合使用，由于電池組內(nèi)單體電池的不一致性以及外界環(huán)境溫度的變化等不確定因素的影響，尤其在電池組連續(xù)的充放電末期，這種不一致性帶來(lái)的影響會(huì)被放大，嚴(yán)重的情況下會(huì)使整個(gè)電池組壽命急劇縮短，甚至電池組直接報(bào)廢。因此，需要鋰電池管理系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)。

2 鋰電池管理系統(tǒng)功能概述

在鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程中，由于原材料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)批次和制造技術(shù)的差別，同一型號(hào)規(guī)格的單體電池會(huì)出現(xiàn)電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等性能參數(shù)上的差別；當(dāng)多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，單體電池性能參數(shù)的差異會(huì)隨著使用時(shí)間增加而加劇，這導(dǎo)致了電池組容量的利用率低下。此外，不合理的使用可能造成鋰電池的過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流甚至短路，這些都可能?chē)?yán)重?fù)p害鋰電池性能，甚至可能引發(fā)自燃或者爆炸。為解決上述問(wèn)題，同時(shí)為了加強(qiáng)對(duì)電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)控及有效管理，提高電池組的使用效率，需采用鋰電池管理系統(tǒng)對(duì)其充放電過(guò)程進(jìn)行管理。鋰電池管理系統(tǒng)常見(jiàn)的功能詳見(jiàn)表2。

表2 鋰電池管理系統(tǒng)主要功能

監(jiān)測(cè)功能主要包括對(duì)電池的溫度、電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)；保護(hù)功能主要針對(duì)使用過(guò)程中可能發(fā)生的鋰電池過(guò)壓、過(guò)流、欠壓和溫度異常等情況進(jìn)行保護(hù)，一旦監(jiān)測(cè)到上述情況發(fā)生，則立即對(duì)充放電回路進(jìn)行關(guān)斷；估計(jì)功能主要包括對(duì)荷電狀態(tài)（Stage of Charge， SOC）和健康狀態(tài)（Stage of Health，SOH）的分析與估算，為電池的正常使用和故障預(yù)防提供決策支持；通信功能主要是將鋰電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息按接口協(xié)議發(fā)送給微處理器或控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 電壓和電流測(cè)量

對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)時(shí)，需要根據(jù)檢測(cè)到電壓、電流完成精確快速的控制動(dòng)作。如果鋰電池管理系統(tǒng)對(duì)電壓、電流等信號(hào)的采樣不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致誤保護(hù)或誤恢復(fù)現(xiàn)象，從而影響保護(hù)動(dòng)作的有效性。常用的電壓測(cè)試方法有：共模測(cè)量法、差模測(cè)量法、V/F法、線性電路直接采樣法和獨(dú)立地信號(hào)采樣法。共模測(cè)量法針對(duì)串聯(lián)電池組中單體電池電壓的測(cè)量，將最后一個(gè)電池負(fù)極作為公共地端，逐一測(cè)量各單體電池正極電壓，然后依次相減得到各節(jié)單體電池電壓；差模測(cè)量法通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，選通指定的單體電池后，再測(cè)量這節(jié)電池正極和負(fù)極間的差分電壓，常用光耦和電容組合實(shí)現(xiàn)；V/F法是將電壓信號(hào)以頻率形式采集，利用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)；線性電路直接采樣法是通過(guò)每個(gè)單節(jié)電池附近的電壓采集裝置，實(shí)時(shí)地采集單體電池的電壓；獨(dú)立地信號(hào)采樣法通過(guò)選通電路將電壓信號(hào)送到具有獨(dú)立接地的AD轉(zhuǎn)換芯片，將高電位信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電位信號(hào)，避免了采樣電路被擊穿。

電流的測(cè)量檢測(cè)可及時(shí)預(yù)防電池電流過(guò)大、電流波動(dòng)頻繁、短路等狀況，常用的電流測(cè)試方法有：互感器測(cè)量法、霍爾傳感器測(cè)量法和電阻測(cè)量法。電流互感器可將大電流變成小電流，從而利用比較器電路完成測(cè)量；霍爾傳感器測(cè)量法針對(duì)較大電流，測(cè)量精度高，測(cè)溫范圍大；電阻測(cè)量法針對(duì)小電流，在電路中串聯(lián)已知阻值的電阻，根據(jù)電阻兩端電壓計(jì)算得電流。

4 溫度測(cè)量

鋰電池對(duì)溫度的要求非常高，使用范圍為-20℃～+ 60℃。若溫度過(guò)高，電池性能的衰降和老化會(huì)加速，內(nèi)部熱效應(yīng)會(huì)相應(yīng)加劇，最終可能引發(fā)爆炸。若溫度過(guò)低，電池容量會(huì)嚴(yán)重衰減，同時(shí)阻抗增加，造成電池性能下降。由此可見(jiàn)，對(duì)鋰電池的過(guò)高溫和過(guò)低溫保護(hù)都極為重要。

常用溫度測(cè)量方法有：測(cè)溫芯片測(cè)量法和溫度傳感器測(cè)量法。測(cè)溫芯片測(cè)量法簡(jiǎn)單方便，測(cè)試精度高，但成本較高；常用的溫度傳感器有熱電偶和熱敏電阻兩種。熱電偶采用兩種不同金屬構(gòu)成，若其中一端受熱，不同金屬之間便存在電壓差，進(jìn)而計(jì)算出溫度值，但精度較低，且處理電路要求較高；熱敏電阻則是根據(jù)導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性來(lái)檢測(cè)溫度的，根據(jù)溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（Positive Temperature Coefficient，PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（Negative Temperature Coefficient， NTC）。

文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種溫度保護(hù)電路系統(tǒng)，由溫度測(cè)量電路、微處理器、開(kāi)關(guān)模塊和報(bào)警單元等組成。系統(tǒng)采集鋰電池組中每個(gè)單體電池的溫度后匯集到微處理器。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器控制斷開(kāi)電路，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

5 荷電狀態(tài)估計(jì)

5.1 鋰電池荷電狀態(tài)定義

某個(gè)電池t時(shí)刻的剩余電量是指從t時(shí)刻起，通過(guò)其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)可能釋放出來(lái)的全部電荷量。此處“全部”是指在不損壞電池的前提下，選擇合適的溫度和放電電流所能放出的電荷量的最大值。SOC的定義是：在一定的放電倍率下，電池剩余容量與相同放電條件下電池的容量的大小比值，其公式化描述為：

式（1）中Qremain表示電池的剩余電量，Qrated表示電池當(dāng)前狀態(tài)下的電池的容量。當(dāng)SOC為1時(shí)表示電池為滿負(fù)荷狀態(tài)，如果SOC為0時(shí)則表示該電池已經(jīng)完全放電。

5.2 鋰電池SOC估計(jì)影響因素

電池的剩余電量由于其不可直接測(cè)量的特性，一直都是一個(gè)比較難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的電池參量，目前普遍用電池的SOC來(lái)描述電池剩余電量。電池的剩余電量和電池放電倍率、工作溫度、充放電次數(shù)、自放電率、不合理使用等多種因素都有關(guān)系。這些因素的偶然性很大，波動(dòng)性也不統(tǒng)一，給電池剩余容量估計(jì)增加了難度。以下列舉幾個(gè)對(duì)電池剩余容量影響較大的因素：

（1）放電倍率：鋰電池的容量會(huì)隨著放電倍率的增大而降低，也就是放電電流越大，鋰電池的容量越小，從而對(duì)鋰電池剩余容量的估計(jì)影響就越大。

（2）工作溫度：在低溫環(huán)境下，鋰電池的內(nèi)阻增大，造成低溫環(huán)境鋰電池容量衰減，放電電壓平臺(tái)下降，輸出功率減小。在高溫環(huán)境下，雖然鋰電池的內(nèi)阻減小，但界面副反應(yīng)劇烈造成可用鋰離子以及活性材料的大量損失，導(dǎo)致電池容量部分損失。

（3）充放電次數(shù)：隨著鋰電池使用次數(shù)的增加，鋰電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生鋰離子的沉積、電解液的分解、活性物質(zhì)的溶解、電極材料的相轉(zhuǎn)變等副反應(yīng)，且固體電解質(zhì)界面膜不斷增長(zhǎng)，造成鋰電池內(nèi)阻增大。這些都將影響鋰電池的性能，主要體現(xiàn)為電池容量的衰減。

（4）自放電率：鋰電池的自放電率一般較低，隨著環(huán)境的惡劣程度而變化，環(huán)境越惡劣自放電率越高，對(duì)電池容量的影響也就越大。

（5）不合理使用：鋰電池因不合理使用而發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流甚至短路時(shí)，會(huì)對(duì)鋰電池內(nèi)部造成不可逆的傷害，導(dǎo)致鋰電池容量的衰減。

5.3 鋰電池SOC的估計(jì)方法

雖然鋰電池的 SOC 估算受許多因素的影響，難點(diǎn)較多，但是其必要性非常強(qiáng)，意義重大，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于 SOC 估算進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索研究，總結(jié)出了一些較為實(shí)用的估算方法。傳統(tǒng)的估計(jì)方法有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、阻抗跟蹤法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。此外，許多研究者又提出了一些新的估計(jì)方法：如模糊法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、電化學(xué)機(jī)理法、密度法、有效質(zhì)量法、最小二乘支持向量機(jī)回歸算法、基于自適應(yīng)理論方法、基于DE優(yōu)化SVR算法、改進(jìn)的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)損卡爾曼濾波相結(jié)合的方法等等。這些方法實(shí)質(zhì)上都是對(duì)上述傳統(tǒng)方法和新型方法在估計(jì)SOC過(guò)程中所出現(xiàn)的誤差進(jìn)行修正，盡可能地減小估算誤差，從而使得估算精度得到提高。以下將對(duì)幾種傳統(tǒng)的SOC估計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

（1）放電實(shí)驗(yàn)法：放電實(shí)驗(yàn)法是對(duì) SOC 估計(jì)中最可靠的方法，采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行放電直到截止電壓，放電電流與放電時(shí)間乘積即為 SOC。放電實(shí)驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)是其高精確性，缺點(diǎn)是使用環(huán)境局限，且需要花費(fèi)大量的時(shí)間。

（2）安時(shí)積分法：安時(shí)積分法認(rèn)為輸入和輸出的電流可通過(guò)對(duì)充放電電流在時(shí)間上的積分計(jì)算，其公式化描述為：

其中，SOCt表示電池t時(shí)刻的SOC，SOCt-1表示電池t-1時(shí)刻的SOC，QS表示電池出廠時(shí)的標(biāo)稱電量，η表示充放電效率，一般情況下取值為1；i(t)表示t-1～t時(shí)間段內(nèi)的充放電電流，若放電則符號(hào)為負(fù)，若充電則符號(hào)為正。安時(shí)積分法優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程實(shí)用性強(qiáng)，簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是SOC的初始值須依靠其他輔助方法進(jìn)行確定，而且易產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響估計(jì)的準(zhǔn)確性。

（3）開(kāi)路電壓法：根據(jù)鋰電池開(kāi)路電壓和剩余電量

檢驗(yàn)檢測(cè)存在的固有關(guān)系，通過(guò)測(cè)量鋰電池的開(kāi)路電壓推斷電池的電荷狀態(tài)。開(kāi)路電壓法的操作簡(jiǎn)單，但由于估算結(jié)果會(huì)隨著溫度和電池壽命不同而有較大誤差，實(shí)用性較差。

（4）阻抗跟蹤法：阻抗跟蹤法最早由TI公司提出，它根據(jù)電池使用過(guò)程中不同的電荷狀態(tài)對(duì)應(yīng)電池內(nèi)阻的變化，對(duì)當(dāng)前電荷狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。該法可以很好地補(bǔ)償溫度、放電倍率和老化帶來(lái)的誤差，但鋰電池內(nèi)阻在線測(cè)量難度較大。

（5）卡爾曼濾波法：卡爾曼濾波算法實(shí)施時(shí)是一種自回歸數(shù)據(jù)處理過(guò)程，利用前一時(shí)刻的估算值和當(dāng)前實(shí)測(cè)值對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)不斷遞推最終求得狀態(tài)變量SOC的值?？柭鼮V波算法在SOC估算領(lǐng)域中應(yīng)用的基本思想是在最小方差的前提下對(duì)電池系統(tǒng)的SOC狀態(tài)作最優(yōu)估計(jì)。如果說(shuō)電池是一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，那么SOC就是系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)，則鋰電池模型的一般數(shù)學(xué)形式如下：

狀態(tài)方程：

觀測(cè)方程：

電池溫度、電流、內(nèi)阻和剩余電量等參數(shù)是系統(tǒng)的輸入變量Uk。輸入變量Yk+1為鋰電池的電壓，狀態(tài)變量Xk包含了鋰電池荷電狀態(tài)SOC，和是電池模型決定的非線性方程，需要進(jìn)行線性化的計(jì)算對(duì)比。SOC估計(jì)算法關(guān)鍵是一組包括所估計(jì)的SOC值和反映估計(jì)誤差、協(xié)方差矩陣的遞歸方程，來(lái)得到誤差的估計(jì)余量。該算法具有誤差修正功能，還可以抑制噪聲的污染，大大擴(kuò)展算法的應(yīng)用場(chǎng)景，但算法對(duì)于電池模型精確度的依賴很大，且運(yùn)算復(fù)雜，對(duì)處理器要求高。

（6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對(duì)于多變量非線性問(wèn)題尤為適用。它有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能，對(duì)處理大量原始數(shù)據(jù)而不能用規(guī)則或是公式描述的問(wèn)題表現(xiàn)出極大的靈活性和自適應(yīng)性。但這種方法需要建立數(shù)學(xué)模型，且需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，預(yù)測(cè)的精度和準(zhǔn)確性依賴于大量的數(shù)據(jù)積累以及積累這些數(shù)據(jù)花費(fèi)的大量時(shí)間，擴(kuò)展性較差。

6 均衡技術(shù)

均衡技術(shù)使單體鋰電池電壓或電池組電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個(gè)單體電池在正常的使用時(shí)保持相同狀態(tài)，以避免過(guò)充、過(guò)放的發(fā)生。均衡技術(shù)可使電池在充放電過(guò)程中的荷電狀態(tài)趨向一致，從而盡大限度地縮小電池間的差異。研究表明，均衡能夠有效地提高電池組的能量利用率，提高電池組的容量，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。如果不使用均衡管理技術(shù)的電池的容量變化會(huì)在20%～80%，而使用了均衡管理技術(shù)，電池的容量變化范圍將會(huì)提高到5%～95%。此外，采用均衡技術(shù)，可使鋰電池組具有更低的損壞幾率和更長(zhǎng)的使用壽命。目前常用的鋰電池均衡方法分兩類：能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型是指以分流電阻的形式消耗高電量電池中的多余能量，從而減小不同電池間荷電狀態(tài)差異的均衡方式。非能量耗散型則是將多余能量從高電量電池?zé)o損耗地轉(zhuǎn)移到低電量電池，從而實(shí)現(xiàn)電池間電量平衡的均衡方式。非能量耗散型電路分為兩種：一種是由儲(chǔ)能元件（電感或電容）和控制開(kāi)關(guān)組成，能量在單體電池間傳遞；另一種主要是應(yīng)用DC-DC變換技術(shù)，通過(guò)控制電路控制電感、電容這些儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)能量再分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定單體電池充電或放電。以下針對(duì)幾種典型的均衡技術(shù)進(jìn)行介紹。

（1）旁路電阻均衡：在電池組充電過(guò)程中，電池組中的某一個(gè)或者某幾個(gè)單體電池電壓超過(guò)預(yù)設(shè)定值時(shí)，用電阻來(lái)消耗電池多余的能量，最終達(dá)到各個(gè)單體電池均衡充電，整個(gè)電池組沒(méi)有過(guò)充狀態(tài)。電路如圖1所示，若單體電池BT1首先充滿電，此時(shí)其他單體電池還沒(méi)有充滿，則與BT1相連的電阻均衡回路開(kāi)啟，避免BT1過(guò)充電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，均衡速度快，可靠性高。缺點(diǎn)是一般只適用于充電均衡，電池組放電時(shí)使用均衡會(huì)加

檢驗(yàn)檢測(cè)快整個(gè)電池組的能量損失，且板子的發(fā)熱會(huì)很大。

圖1 旁路電阻均衡電路

（2）開(kāi)關(guān)電容均衡：開(kāi)關(guān)電容法拓?fù)淙鐖D2所示，電容C通過(guò)各級(jí)開(kāi)關(guān)的通斷，存儲(chǔ)電壓較高的電池單體能量，再釋放給電壓較低的電池單體。該拓?fù)渲械膬?chǔ)能元件可以是電容或電感，原理相似。這種均衡方法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，能量損耗比較小，但當(dāng)相鄰電池的電壓差較小時(shí)，均衡時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，均衡的速度慢，均衡效率低，對(duì)大電流快速充電的場(chǎng)合不適用。

圖2 開(kāi)關(guān)電容均衡電路

（3）變壓器均衡法：變壓器均衡是利用變壓器磁場(chǎng)能量與電場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組的均衡方法，如圖3所示，電池組連接在變壓器的原邊一側(cè)，電池單體連接在變壓器副邊一側(cè)，均衡的工作過(guò)程為：當(dāng)檢測(cè)到BAT1的電壓高于限定值時(shí)，那么先閉合BAT1兩端的均衡開(kāi)關(guān)S1，將BAT的能量轉(zhuǎn)移到變壓器中，然后關(guān)斷開(kāi)關(guān)S1，閉合開(kāi)關(guān)S0，變壓器副邊之前儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到整個(gè)電池組中。若某節(jié)電池的能量低于限定值時(shí)，工作過(guò)程與前相反。此種均衡的優(yōu)點(diǎn)是均衡電流較大，均衡速度較快。其不足之處是當(dāng)電池組內(nèi)單體電池較多時(shí)，較難進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移，且硬件設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

圖3 變壓器均衡電路

（4）分布式DC/DC均衡：分布式DC/DC均衡的電路如圖4所示，為串聯(lián)的每個(gè)電池單體配置一個(gè)DC/DC模塊的均衡電路，通過(guò)合理設(shè)計(jì)DC/DC模塊，可以實(shí)現(xiàn)不同的均衡控制策略?？蓪?shí)現(xiàn)充放電時(shí)流過(guò)每個(gè)單體電池的電流正比于電池的實(shí)際容量，即保障過(guò)程中電池的SOC一致，使得整個(gè)電池組表現(xiàn)為一個(gè)具備高電壓的電池單體，但是也存在成本高、控制復(fù)雜、技術(shù)要求高等問(wèn)題。

圖4 分布式DC/DC均衡電路

表3從均衡速度、控制難度、成本、體積和能量效率等方面對(duì)比了上述四種均衡策略。

表3 鋰電池管理系統(tǒng)均衡策略對(duì)比分析

7 結(jié)語(yǔ)

鋰電池組的性能和容量與環(huán)境溫度、過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流、循環(huán)次數(shù)、和單體電池一致性等因素相關(guān)，錯(cuò)誤地使用鋰電池還可能導(dǎo)致鋰電池發(fā)生泄露、破裂、起火、爆炸等危險(xiǎn)。本文從鋰電池管理系統(tǒng)的概念出發(fā)，介紹了鋰電池管理系統(tǒng)應(yīng)具備的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、估計(jì)、控制和通信等功能，并對(duì)現(xiàn)有鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，旨在為鋰電池管理系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。