试论新型锂电池组的PACK 及管理方式

郝 磊，张 阳

（天津力神特种电源科技股份公司，天津 300112）

0 引言

电子产品对电源性能有很高的要求。由于锂离子电池（即锂电池）具有放电电压稳定、自放电率低、无记忆效应等优点，目前逐渐替代铅酸蓄电池，成为动力电池主流。但是锂离子电池对充放电要求较高，充电时电池内部温度上升，放电时电解材料铜熔化造成内部短路，外部电路板电流过大，电池内部功率消耗增加，引起电解液氧化，锂离子电池压力增加，易产生火花爆炸，因此锂离子电池都加有保护电路。由于电动力设备使用驱动电压高于单节锂电电压，电动车使用额定电压为24 V、36 V，使得必须使用多节锂电单元串联组成电池组，但单节锂电池内部特性不同，导致了单节锂电充放电不一致。本文介绍智能动力锂离子电池组管理模块，以微处理器为功能控制核心，可以有效为电池组单节锂电充放电提供平衡保护。

1 电池管理系统概述

新型电子产品要求电源性能改善，要求减少电源体积质量，电源材料环保无污染，锂电子正负极材料为嵌锂化合物，锂电池自放电率较小，很多电子产品使用锂电池供电。20 世纪中期人们开始对锂电池研究，锂电池发展经历锂一次电池与锂离子电池发展阶段[1]。

由于锂电池优良性能，目前在手机、无线电通信，航天技术等领域广泛应用。便携式电子产品要求供电电源具有高密度能量，锂电池占据充电电池市场比重不断提高。锂电池组在使用中需将各节电池串联，没有管理系统对电池组进行控制会降低电池组的安全性。锂电池组于过度充放电导致安全性问题无法解决，使用中缺少对电池组的管理会影响电池组的性能、无法保证其安全性。功能完善的管理系统体积占电池组的1/5，可提高电池组寿命2 倍以上。

电池组充放电中，个体状态参数变化，为了解控制电池组状态，管理系统应用中必须结合参数变化调整控制方案，充分发挥电池组的性能。电池组循环后期，管理系统仍采用循环前期控制方案，则导致后期出现控制错位，所以电池组使用中管理系统的自适应优化至关重要。电池组管理系统分为电量、均衡管理系统，现在电量管理系统只能对电池组电量模糊估算，锂电池电量可根据电压为衡量标准。目前对电池组状态管理通常为故障状态管理，检测电池组的使用寿命尚无精确的计算方法。

2 锂电池智能管理系统简介

随着微型电子的发展，数字集成电路不断集成更多功能，设计师希望以独立设计专用功能芯片，出现了可编程逻辑器件，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是特殊的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，特殊应用集成电路）芯片，芯片规模不断扩大，可实现更多的功能，芯片在出厂前做过测试，设计人员只需通过软硬件环境可完成芯片功能设计。用户可反复编程使用，采用不同软件实现不同功能。

FPGA 常用的结构是查找表结构，大多数的FPGA 芯片使用4 输入的LUT（Look-Up-Table，查找表），用户需设计逻辑电路时，可将电路通过原理图表现，逻辑电路结果被FPGA 开发软件计算写入RAM（Random-Access Memory，随机存储器）中，输入信号逻辑运算输入地址信号查表。LUT 是基于SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器）工艺生产，FPGA 芯片在SRAM 工艺基础上生产，芯片在存储上次设计信息后发生掉电会导致内部信息丢失，为FPGA 芯片加专用配置芯片，可将设计信息写入配置芯片，将设计信息重新写入FPGA中，不会影响系统正常工作。

锂电池组能源管理模块设计源于笔记本电脑的电池电源管理方案，这种电源管理模式能提供电池状态数据，使人们在使用电池供电时不会因为掉电而影响工作，可以合理科学地使用电池，有效延长电池使用寿命。电动力设备上动力锂离子电池组能源就具有上述功能。智能能源管理模块由管理功能、通信功能组成。

3 锂电池智能管理模块方案设计

3.1 充电方案设计

普通充电法按预充、定压阶段进行，由于智能能源管理模块控制充电电源外置，可以与外接充电器形成闭环控制电路，将充电开关管选择为线性调节方式，但是模式功率消耗引起发热量大。为了达到兼容目的，智能能源管理模块预充采用间歇式充电法。

锂电池组充电时，需匹配恒压限流型电源适配器。按预充与恒压充电进行自动充电[2]。初始化阶段是充电过程的重要环节，智能能源管理模块进行自检，检测充电条件包括外接充电器电源极性是否正确，温度是否过热或过冷，锂电池端电压是否高于充电检测电压。预充电目的是防止电池过度放电，必须使锂电池端电压上升到允许充电压以上。

预充原理是通过电源适配器向电流施加小充电电流，使得电池固定时间内达到最低允许充电电压值。模块的预充是通过预充开关管向电池预充。MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）通过程序控制放电开关管S3 导通，开始时采用较短的导通时间向电池预充，S1 截止期间检测单元电池电压，直至电压上升到锂离子电池允许最低充电电压，长时间预充电池端电压不能达到最低允许电压，说明电池损坏。

3.2 平衡电路方案设计

单节电池配组使用特性不同，会导致组内单体电池过充情况不同，内部单体电池串联使用易发生过充现象，任意电池特性加剧恶化导致其他电池发生连锁性损坏，电池质量差会引起恶化联锁反应。

目前通用的做法是将单体电池精选配对，减小单体电池差异，由于我国锂电池生产单位多等因素，使得电池组配组技术不完善。电池组使用中会产生特性变化，目前对电池组使用特性变化导致的特性衰减现象尚无有效解决方法，只能在电池组充放电中检测电池状态，保护电路将充放电电路关断。使用中解决单节锂电池组平衡问题非常重要。电池组单元电量平衡可采用电容平衡等多种方案。

B1，B2…组成锂电池组单元电池，R1，R2…为放电平衡电阻，电池组充电时电流I 在电池中相等，某节电池电压高于其他电池时，MCU 控制多路开关K2 合上，循环n 次使得锂离子电池能平衡充电，方案使用中需注意选取电阻值。K1，K2……为MCU 控制多路开关，充电时电流I 在各节电池压降，某节电池电压高于其他电池，CPU（中央处理器）控制多路开关K2 和K3合上，B2 通过K2 和K3 向平衡电容C 充电，MCU 控制多路开关K3 和K4 向B3 释放电能，使B3 电压上升，使得锂电池组单元电池平衡充电，方案使用中应注意掌握电容充放电时间。

4 电动客车锂电池组的PACK 管理应用

4.1 电动客车发展现状

国务院发布《节能新能源汽车产业发展规划》指出，以纯电驱动为新能源汽车发展主要战略取向，应总结纯电动城市客车运行经验，确定促进纯电动汽车商业化技术突破点。纯电动城市客车节能减排优于传统客车，发电环节污染可以通过绿色能源发电等多方面解决，纯电动客车单次投入数量逐渐增加，需但要重视深层次的问题。

北京奥运会纯电动客车电池寿命衰减快，合肥纯电动锂电池无法保证8 年客车使用寿命，青岛纯电动换电过程停车时间长，实地调查统计电动客车充换电时间，客车充换电时间约15 min，但驾驶员反映车辆过多需排队，更换电池时间在30 min左右。分析纯电动客车运营反馈，发现纯电动客车批量运行需要更多技术突破。需选择合适的电池PACK 方式解决电池续驶里程的问题。

4.2 纯电动客车锂电池PACK 方式

（1）纯电动客车功率基本在300 kW，常用的540 VDC 电压电池容量需600 A·h，采用200 A·h 单体电池需3 并，采用圆柱形电池（5 A·h 左右）需120 并，需要考虑如何通过电芯有效PACK（即锂电池电芯组装成组的过程）提高电池组续航里程。PACK 方案有先并后串和先串后并方式。电芯先并联后串联，由于内阻差异等因素影响串联后电池组循环寿命，圆柱形电芯并联电池失效退出，但对并联工艺要求严格。电芯PACK 后散热效果较好，对环境适应性强。

（2）方形电芯避免外部并联，但失效后电池组不能使用，电池由于单体容量大，对环境适应性较弱。并联中某个单位电池短路造成电路电流大，易引发电池燃烧危险，但可通过熔丝保护技术避免。根据电池组容量先串联后并联，可降低大容量电池组故障概率。圆柱形电芯将电池组分为3 组小容量独立电池组，小组电池故障不影响本组使用，减少了PACK 工艺复杂性。方形电池组一组有故障，避免单串电池出现问题后整组停用。PACK 方式对管理系统提出较高要求，整组电池停止充电往往因为个别电池组处于弱势造成。先串后并可通过主动均衡对小组进行自动修补投入充放电，个别电池组损坏易于更换。

（3）遇到电池组短路时，PACK 方式能量包变小。对比发现先串后并PACK 方式为电动客车最佳选择方式。

（4）主动均衡是有效电池管理均衡技术，单个模组内双向直流将异常电荷传送，通过系统母线进行模组传递，主动均衡电流可做到5 A 以上，是电池管理的重要发展方向。先串后并的PACK 方式，合理投入机制是管理系统的重要控制策略。充电中使用主动均衡技术可以增加电池组的充电容量10%以上，放电中使用主动均衡技术可增加电池组放电容量10%以上。主动均衡策略保证电池组续驶里程，降低了停车故障概率。