高效锂离子电池管理系统及其均衡充电方法

李菁

摘要

隨着国家对环境保护的愈加重视，为了能够有效地化解能源紧缺和环境污染的危机，人们正在对锂电池的发展不断进行深入的研究。高效锂电池由于具有优良的性能而得到了人们的广泛关注，对锂电池的管理系统进行了优化，为了得到理想的电压和功率，就需要将锂电池进行串联使用，但是由于各个串联体之间物理和化学性质的差异，导致锂电池的利用率比较低，并且容易引发安全隐患，严重阻碍了锂电池技术的快速发展。本文对锂电池的管理系统和均衡充电方法进行了系统性的研究，具有重要的实践意义。

【关键词】高效锂电池 管理系统 均衡充电利用率 研究

高效锂离子电池的管理系统主要应用于电动汽车的动力研究方面，世界上各个国家及高效都已经投入了大量的资源来进行相关的研究，并且已经取得了理想的研究成果，高效锂电池的管理系统主要是实现锂电池组在使用过程中保持高效、稳定、可靠的运行。锂电池组应该具备对外部参数检测、热分散、均衡控制、故障诊断和报警等使用功能。此外，随着国家对节能环保要求标准的不断提高，节能效益已经成为了衡量锂电池性能优劣的重要指标，锂电池的均衡充电技术已经有简单的耗散型进化为复杂的非耗散型，主要涉及到均衡电路设计、均衡电路优化、管理系统检测等方面。

1 高效锂离子电池管理系统

根据高效锂离子电池的物理和化学性能特性，锂电池应该能够有效地满足用户用电装置信息实时把控的性能要求，通常来说高效锂离子电池管理系统具有下列功能特点：

1.1 外部参数的检测

主要是测试锂电池单节的端电压、串联电池组工作的温度和单节锂电池之间固定位置处的温度，此外，还需要检测整个锂电池组的总电压和充电及放电时的总电流，根据上述测量数据，实现锂电池组效率利用的最大化;

1.2 继电保护电路

保护电路是在锂电池组充电时对电池组总电压过压和总电流过流进行保护，当用电装置进行放电的时候总电压一般是欠压状态，这时候就需要进行总电流过流保护，避免设备受到损伤;继电保护还需要对锂电池组温度异常的工况进行及时的判断，并设置二级报警系统，从而保证在异常事故发生时能够及时采取相应的故障保护措施，比如常见的主回路继电保护控制、风扇型启动及关停控制。

1.3 锂电池运行工况判断

继电保护装置综合采集模块获得的电池组总的电压、电流和温度等基本信息，进一步对锂电池组的SOC装置进行在线评估，并相应地做出后续的时间检测，从而为用户提供理论和实践意义上的参考价值。

1.4 锂电池各单体间不一致性均衡控制

主要是通过锂电池组总电压检测和SOC装置在线检测，先对各个锂电池单体进行不一致的评估测算，进而对均衡充电模块进行有效的控制，从而实现各个锂电池单体之间的均衡控制;通过控制均衡电源的输出总电压和总电流的大小，从而可以避免在均衡充电过程中因充电电流国发而导致锂电池单体超压的现象。

1.5 外部装置的通信

锂电池组与用电装置通过CAN进行网络通讯，进而把锂电池组的状态信息和异常故障信息发送给整车控制器，同时接受相应的控制指令，进而确保锂电池管理系统内部CAN网络节点之间通讯的正常运行。

2 高效锂离子电池管理系统的设计

2.1 高效锂离子电池管理系统的结构设计

高效锂电池的管理系统功能比较多且控制系统复杂，在运行的过程中需要检测的参数种类繁多、计算量较大，如果要充分地实现高效的管理模式，就需要对控制芯片的运算能力有着更高更全面的要求。通常来说，根据高效锂电池的系统功能要求，可以采用分布式结构模型，由多块外部参数收集模板组合而成，控制芯片的主板和外部都是由均衡充电控制单元组合而成，各个收集板与主板之间经过CAN进行网络信息之间的互换，控制收集板的铿电池单体数是由电池组管理系统控制的对象进行确定，芯片主板根据检测到的锂电池总电流、总电压和温度等数据参数对电流进行全面的控制，从而实现锂电池的均衡控制和整个锂电池外部各个系统之间的数据交换通信等控制目标。

2.2 高效锂离子电池管理系统的硬件电路设计

高效锂离子电池管理系统一般是基于EKl计算方法估算出锂电池组实时运行时的SOC在线显示数据，那么就需要统筹考虑管理系统运行时总电压电流值、初始的SOC在线运行数据和锂电池组长时间的自放电现象。一般来说，控制芯片的供电电压可以选择5V或者3.5V，控制芯片配置有晶振和微电池，从而可以保障管理系统在失电的故障工况下还能够安全、稳定地运行。此外，控制芯片上还配置有10Kb容量的RAM，这样管理系统在运行时就可以对系统失电保护数据进行实时的存储。

2.3 高效锂离子电池管理系统的软件设计

如果要顺利地实现BMS系统的管理功能，那么硬件设备就要充当管理系统的外在框架角色，而软件则是管理系统的核心内容。评价管理系统的稳定性和可靠性，就需要综合考虑管理系统的硬件电路和软件设计。在进行锂电池管理系统设计时，需要充分分析软件能够具备的各项功能，然后才能够进行软件的总体框架设计，一般是将管理系统软件划分成为若干个子模块，根据不同模板的运行功能，进行单独的设计、代码编辑和测试计算，从而将各个子模块进行整合测试，然后就可以实现整个管理系统软件的全部功能。

锂电池管理系统软件主程序的主要功能是实现DSP电路的设备配置，对定时元素进行初始化，并设置管理系统的运行节点、A/D转换器、CAN控制模块，上述设置可运用于功能中断，通过系统的不断循环功能来实现锂电池组以及各个单体之间信息的实时采集和状态监控等使用性功能。

高效锂电池组放电工况评价子程序的主要功能是检测锂电池组及各个单体在放电过程中能否出现温度异常、回路电流是否超标、总电压是否超压等不利运行条件，如果管理系统出现运行的异常工况，该子程序就会自动地发出报警控制信息，从而能够及时采集系统异常的原因，进而保障整个管理系统能够稳定高效地运行;锂电池组运行状态判断子程序的主要功能则是监控锂电池组和各个单体之间在均衡充电时是否存在超压过流以及超温的不利因素，一旦发现异常，子系统就可以及时记录事故发生的原因并发出异常报警信号，从而实现管理系统控制设备的稳定运行。温度模块转换流程图如图1所示。

高效铿电子均衡控制子程序是以实现锂电池组各个单体电压的一致性为检测目标，当发现各个单体之间的电压存在不一致现象时，锂电池组的均衡控制子程序将会保持各个单体之间的电压一致性运行在允许的安全范围内。在实际运用过程中，可以根据工程的具体情况来设置两个一致性的极限值，如果能够实现子程序中的一致性运行要求，那么就可以认为实现了均衡控制的目的，可以实现锂电池组的一致性运行需要。

3 高效锂离子电池均衡充电方法

高效锂离子电池组通常是由若干个锂电池单体串联生成，每个锂电池单体都设置有一个相对独立的均衡单元，该单位一般是由一个钳位电路、一个控制开关和一个原边绕组组合而成，这种控制体系能够保障整个锂电池组的均衡。由于各个锂电池单体都需要设置一个均衡单元，这样就增大了均衡控制单位的体积，造成了大量的热损耗和运行成本的增大，不能够实现较好的经济效益。提高锂电池组一致性的方式是多种多样的，常用的均衡充电方法主要有单体均衡和荷电状态均衡。

3.1 高效锂离子电池电压均衡充电方法

高效锂离子电池的电压均衡充电方法主要是实现各个单体电压之间的一致性均衡，各个锂电池单体在很大程度上可以反映出锂电池的内部特征，并且可以有效地防止锂电池组出现过冲过放的不利现象。然而，当锂电池组使用的次数比较多或者是在复杂的运行工况时，锂电池组的阻力就不能再视为恒定值，此时的端电压就不能正确地反映出锂电池组内部的特征，如果一味地将锂电池电压均衡充电方法当成是提高一致性的最佳模式，就会不可避免地造成更大的误差，危及系统的稳定运行。

3.2 高效锂离子电池荷电均衡充电方法

高效锂离子电池的荷电均衡充电方法是以各个锂电池单体的荷电数据作为一致性均衡的主要依据，在实现系统的均衡过程中，主要是通过锂离子电池组的管理系统对荷电数据进行检测核算，经过數据比较，当出现不一致的运行工况，就可以启动均衡模块来实现对铿电池组的均衡控制，该方法能够在任何运行工况下较好地反映出锂电池组的内部特征，能够有效地解决过充放的不利运行现象。荷电均衡充电方法是目前主要研究的均衡方式，这种均衡充电方式比较理想，但是实现的过程相对复杂一点。

4 结语

高效锂离子电池是新型发展的能源形式，能够有效地缓解社会能源紧张的局面，还可以减少传统能源的使用，具有非常明显的社会和环保效应，但是人们对于锂电池的管理系统和均衡充电方法还存在着一些认识上的不足，需要今后投入更多的资源去攻克实践中的技术难点。

参考文献

[1]吴铁洲，陈学广，张杰，孙杨.HEV锂离子串联电池组混合均衡策略研究[J].华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（02）：102-104.

[2]王海明，郑绳楦，刘兴顺.锂离子电池的特点及应用[J].电气时代，2004（03）：132-134.