動力鋰離子電池管理系統設計方法

摘要：本文討論了動力鋰離子電池管理系統的設計方法，以實現對鋰離子電池動力鋰電池包的過充電保護、過放電保護、過流保護和均衡充電等功能。

關鍵詞：鋰離子動力鋰電池包；管理系統；過流；過放電；過充電；均衡控制

引言

鋰離子電池的廣泛使用已有十多年，但早期重要用于手機、筆記本電腦、攝像機、DVD等一系列小型移動式電子產品，這些場合往往都單串使用，負載電流較低，安全系數高。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，已經開始在電動自行車、電動工具和動力玩具范疇上得到快速使用，并逐步使用于混合動力車和電動汽車輛范疇。但動力鋰離子電池的安全性仍是人們目前最為關注的問題，所以對其的保護就非常緊要。除了確保鋰離子電池自身安全性的繼續改進，非得同時研究電池的管理系統，使電池及其使用能均衡發展。鋰離子電池的保護重要包括過充電保護、過放電保護、過電流及短路保護等。

1保護電路的功能

1.1過充電保護

對鋰離子電池來說，其充電后單節電芯最高電壓不得超過規定值，否則電池內的電解質會被分析，使得溫度上升并萌生氣體，降低電芯的使用壽命，嚴重時甚至會引起爆炸，所以保護電路一定要保證絕對不可過度充電，非得對電池包中每一節電池的端電壓進行監控，當電芯的電壓超過設定值時，即激活過充電保護功能，由保護電路切斷充電回路，中止充電。在電芯電壓回歸到準許的電壓并解除過充鎖定模式時，才能停止保護。不同材料的鋰離子電池其保護電壓和釋放電壓都有其不同的規定值。

另外，還非得留意因噪聲所萌生誤動作，為了戒備誤判和誤操作，還要設置過充保護延時，并且延遲時間不能短于噪聲的繼續時間。當電壓繼續超過過充測試電壓一按時間以上才會觸發過充保護。

1.2過放電保護

鋰離子電池的過度放電，也會縮短其使用壽命，而且對電池造成的損害往往是不可逆的。為了戒備鋰離子電池的過放電狀態，當鋰離子電池電壓低于其過放電電壓測試點時，即激活過放電保護，中止放電，并將電池保持在低靜態電流的待機模式，參數設置類似過充保護。

1.3過電流/短路保護

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引起鋰離子電池的不可恢復的損壞，影響其使用壽命。

短路保護這個功能其實是過流保護的擴展，若由于外部短路等原由引起的大電流放電時要立刻停止放電，否則對鋰離子電池本身和外部設備都可能會造成嚴重的損害。

過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時時間是微秒級的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以防止短路對電池帶來的巨大損傷。

就電動工具而言，保護電流值和延時時間的設置還非得和電動工具本身的參數結合起來，否則會影響工具的輸出扭矩和電機的壽命。

1.4電池均衡

動力鋰離子電池一般都要幾串、幾十串甚至幾百串以上，由于電池在加工過程中，從涂膜開始到成為成品要經過很多道工序，即使經過嚴格的測試程序，使每組電源的電壓、電阻、容量一致，但使用一段時間以后，電池內阻、電壓、容量等參數萌生波動，形成不一致的狀態，就會萌生這樣或那樣的差異。這種差異體現為電池包洋溢或放完時串聯電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導致電池包充電的過程中，電壓過高的電池芯提早觸發電池包過充電保護，而在放電過程中電壓過低的電池芯導致電池包過放電保護，從而使電池包的整體容量分明下降，整個電池包體現出來的容量為電池包中性能最差的電池芯的容量，而且使用時很容易發生過充和過放現象，且不易發現，導致提前失效。因此要求保護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，實現電池均衡，最大限度地發揮動力鋰離子電池的效用，延長電池的使用壽命，新增安全性。目前常用的均衡辦法有儲能均衡和電阻均衡。

儲能均衡是利用電池對電感或電容等儲能元件的充放電，通過繼電器或者開關器件實現儲能元件在不均衡電池間的切換，達到電池間的能量轉移。這種均衡充電辦法一般控制網絡復雜，安全性管理要求高，在使用中應留意掌握好儲能元件的充放電時間，其最大的優勢是充、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包的電能。

電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網絡的通斷對電池包進行分流均衡，這種辦法可以同時對多節電池進行均衡，控制簡單。但是均衡過程中假如電阻選的過大，則均衡電流太小，效果甚微；假如電阻選的過小，則電阻功率很大，系統能量損耗大，均衡效率低，系統對熱管理要求較高，要進行溫度測試控制。

電阻均衡的原理是在電池包充電的過程中，當某節電池充電速度較快，電壓高于其他電池，系統通過控制開關控制均衡電阻的導通分流，降低電池的充電速度，以達到各節電池均衡充電的目的。

2保護功能的實現

關于鋰離子電池的保護辦法重要有兩種：單片機控制和集成電路保護芯片。

2.1IC控制

目前可以實現鋰離子電池保護功能的芯片很多，國外、臺灣、大陸都有很多種芯片可以選擇，目前日系理光和精工的方法采用的比較多，方法成熟，外圍電路簡單，但是價格比較貴。

各種保護IC實現的功能相差無幾，其保護模式和外部線路也大同小異，在實際使用中可依據要選擇不同IC。選擇IC的時候要多方考慮，不同型號的IC的過充電保護電壓是不同的，有4.25V也有4.35V的，還有IC的自身功耗、外圍電路是不是夠簡單、保護IC的各參數精度是不是符合要求，體積是不是足夠小，都要考慮周到。

保護板除了保護功能完善以外，低功耗也是緊要的參數。為戒備過度放電，保護IC非得測試電池電壓，一旦達到過度放電測試電壓以下，就非得關斷功率MOSFET而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在，因此要使保護IC消耗的電流降到最低程度，在保護狀態時，其靜態耗電流非得要小0.1uA。

另外動力鋰離子電池組工作或充電時瞬間會有高壓萌生，因此保護IC應滿足耐高壓的要求。

圖1是以精工S-8254A為保護IC的4串使用原理圖。S-8254系列內置高精度電壓測試電路和延遲電路，是用于3節或4節串聯鋰離子或者鋰聚合物可充電電池保護的IC。通過SEL端子的切換，可用來保護3節或4節串聯電池。

圖1S-8254A4串保護原理圖
當然目前的電池保護芯片一般最多能保護4節鋰離子電池，然而很多使用都要5節以上的鋰離子電池串聯工作，比如電動工具、電動自行車和UpS，此時又要怎么樣處理呢？如圖2所示，該電路可以實現20A/24V的輸出功率，以精工S-8254AAV作為控制芯片的一個使用實例，它同時使用兩個保護芯片串聯在一起，保護8串鋰離子電池包，過放保護電壓為2.70V±0.080V，過充保護電壓為4.250V±0.025V。
圖28串動力鋰離子電池保護電路
該電路均衡控制采用R5408芯片，電壓測量精度比較高，均衡電流可達1A。
2.2MCU控制
現有的一些集成電路保護芯片重要是針對4節電芯以下的電池包的保護，而關于4節以上的電池包可以采用多個單級保護芯片串聯的方式或幾個多級保護芯片串聯的方式。但這種利用多個保護芯片串聯的方式對4節電芯以上的電池包進行保護的電路可擴展性差。同時，集成保護芯片往往只針對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，結合鋰離子動力鋰電池的充放電特點，許多場合動力鋰離子電池保護電路，采用以MCU（微解決器）為核心的設計方法。
以微解決器作為各種功能控制的核心，除了對鋰離子電池包供應過充、過放、過流保護，有效地對鋰離子電池包內各單節鋰電的充、放電供應動態均衡、溫度保護、短路保護外，同時可以供應如容量預測、通訊、身份識別等功能。
3硬件抗干擾措施
動力鋰離子電池管理系統作為一個使用系統的一部分，會常常受到各種電磁干擾，其實際的工作環境是比較惡劣，有必要在硬件設計和pCB板的布線上采取一定的抗干擾措施。
4其他要求
因為電池重要是用來給主使用項目供電，因此要求BMS惟有極低的功耗。
5結束語
動力鋰離子電池包的監控是一個較新的課題，其管理系統將會綜合監測保護技術設計思想，具有對電池包進行靜止、充電、放電、管理、自動維護等基本功能，達到實用、可靠的使用要求。