锂离子电池组监控系统研究与实现 — 锂离子电池监控系统基础研究

admin

2.1锂离子电池技术
          锂是世界最轻的金属，是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，它所构成的电池具有非常多的优点：
          ⑴高容量，高密度。锂电池的输出电压近4V，是单节镍镉、镍氢电池的3倍，能够比镍氢电池存储更多的能量；
          ⑵尺寸小，重量轻；
          ⑶无记忆效应。锂电池不需要定期放电，不管残余电量多少，都可以进行充电，非常方便；
          ⑷自放电率小，循环寿命长。锂电池自放电率为每月2%~5%，而镍镉，镍氢等电池自放电率达到20%；
          ⑸充放电寿命长。经过500次重复充放电后，其容量至少相当于新电池的70%以上。锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成污染，虽然目前价格比较贵，随着技术进步以及生产规模的扩大，仍有较大降价空间。
       
        锂电池是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。
       
        但是锂电池也有其自身的缺点，锂电池在使用过程中，易受到过充、过放和短路等现象的影响，从而产生损害。其电池的充电电压必须进行严格限制。最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用大电流充电至4.2V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态，因此锂电池需使用专用的充电器。另外，锂电池价格比较昂贵，影响锂电池的应用。
       
        2.2锂离子电池特性
          锂离子电池的主要工作特性：
          2.2.1锂电池的充电特性
          电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：
          （1）多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。
       
        （2）非线性在电池充电的过程中，一般不能只用简单恒流或恒压充电方式，因为充电电流在充电过程中会出现非线性的变化，其电流值会随充电时间呈指数规律下降。
       
        （3）复杂的电化学性经过多次的充放电后，电池的充放电能力将出现很大的不同，电池的容量将会不一致，即使是同一类型的电池也是一样。
       
        针对以前这些复杂的现象，在目前，提出了一种有效的充电方式—恒流转恒压的充电方式。当电池容量比较低时，该充电方式首先采用恒流充电，例如额定容量为2000mah的电池充电，采用2A电流充电，大概40分钟电池电压就能上升到设定值（4.2V），然后转入恒压方式充电，就是电压维持4.2V，这时充电电流会迅速下降。在恒压充电期间，对电压精度的要求很高，必须维持在4.2V±42mV的范围内，也就是说误差不能超过1%.如果不控制电压值，使电压上升到4.5V的话，会对锂电池造成永久性的损害。在这个期间，充电电流也会逐渐减小到一个范围，以小电流继续对电池充电，最后使电池容量达到额定值。这个过程大概持续80分钟就能充满。如果采用1A电流充电，大概100分钟电池电压上升到4.2V，约2.5小时充满电。选择的充电电流不同，但是都能充满，就是花费时间长短问题。
       
        恒流转恒压的充电方式能使电池达到满充状态，并且不损害电池，大大提高了电池的使用寿命和效率，目前成为锂电池最主要的一种充电方式。
       
        2.2.2充放电电流特性
          在对锂电池进行充放电时，需要考虑其充放电的最大电流，尤其是放电电流，当锂电池的放电速率超过2C时（C为电池的容量），会使锂电池的温度急剧升高，从而严重发热，会对锂电池的内部造成损坏，影响其使用寿命。在对锂电池充电时，其充电速率最好在0.25C~1C的范围内，当充电电流过大时，需要实时监测温度，以防温度过高。
       
        2.2.3最佳工作温度环境
          温度对锂电池的容量有很大的影响。虽然锂电池的使用温度范围可以在-20℃~60℃之间，但是当温度过低或过高都会影响到锂电池的放电容量。实验表明：当放电速率为0.2C时，环境温度为25℃时，可放出额定容量；当环境温度为-10℃时，电池容量下降约5%，当环境温度为-20℃时，电池容量下降约10%.由此可见，环境温度为25摄氏度时，是锂电池的理想工作温度，在这个温度下，电池能发挥它的最大性能。
       
        2.2.4自放电率
          所有电池在开路的情况下会出现正负极自放电，这会使电池的容量下降。但是锂电池的自放电率非常小，远远低于镍镉电池、镍氢电池。
       
        2.2.5电池使用寿命
          经实验表明，锂电池的使用寿命远远大于其他电池，其充放电次数为600-1000次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电数一般为300-600次。锂电池的充电次数具体视充电周期而定，一个充电周期意味着用完电池的所有电量，但并不等同于充一次电。例如，可以只用了一半的电量，然后又为它充满电，再用了一半的电量，然后又为它充满电，这只能算作一个充电周期，而不是两个，因此，你可能要花几次完成一个周期。每完成一个充电周期，电池容量就会减少一点。
       
        2.3锂电池充电管理
          在锂电池监控管理系统中另一个重要部分就是对锂电池的充电管理。目前来说，主要存在两种充电模式，一种是恒流恒压的充电模式，另一种是脉冲电流充电的模式。根据这两种充电模式，目前主要存在三种充电方式：线性充电方式、开关充电方式和脉冲充电方式。其中，线性充电和开关充电采用的都是恒流恒压的充电模式。
       
        2.3.1线性充电方式
          线性充电方式主要应用于对噪声敏感的无线设备，其优点是成本最低，复杂度最小，同时在三种方式中其传导和辐射干扰是最小的。但是这种充电方式有一个很大的缺点，就是功率损耗较大。基于线性充电方式的这些优缺点，这种充电方式在小功率便携设备充电方案中具有很大的市场。线性充电方式检测电池电压来决定其充电状态[26]。当电池电压小于某阈值电压时，处于预充电状态，此时以较小的电流对电池进行充电，预充电使电池电压达到阈值电压后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流可以调整。恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电压（一般为4.2V）后，进入恒定电压充电状态。在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于某阈值时，充电结束。充电结束后，对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。
       
        2.3.2开关充电方式
          相对于线性充电方式来说，开关充电方式具有最大的优点就是低损耗，这种充电方式能够在宽输入电压范围和任意电池端压范围内保持一个很低的损耗。线性充电方式由于其高损耗的缺点，在一些散热条件差、环境温度比较高的场所使用，可能会产生非常严重的后果。因此，在这种环境下，采用开关充电方式是非常必要的。
       
        但是开关充电方式也有其自身的缺点，这种方式所搭建的电路体积较大、复杂度较高，另外还有一些干扰问题。
       
        2.3.3脉冲充电方式
          脉冲充电方式是一种新型的充电方式，其充电过程在前半部分与恒流-恒压充电方式是相同的，都是在开始时采用恒流对电池充电，当电池电压上升到4.2V以后，开始转入真正的脉冲充电阶段，而不是恒压充电。在脉冲充电阶段，充电器间歇性的对电流进行充电，充电电流值与在恒流充电阶段相同。经过一定时间，当电池电压超过4.2V后，充电回路被切断，电压会慢慢下降。下降到一定值后在打开充电回路继续充电，重复进行这些过程，直到电压的下降速度足够慢，认为电池满电量。
       
        脉冲充电方式综合了开关方式和线性方式的优点。这种充电方式不会产生热损耗，且效率很高，而且由于这种方式没有额外的输出滤波电路，因此不会产生干扰。但是，脉冲充电方式也有其自身的缺点，就是成本比较高。这是由于它需要一个有限流功能的电源。
       
        2.4电池电量管理
          锂离子电池的特性对设备的正常工作有很大影响。在实际应用中，要求锂离子电池能够满足工作的功率需求，并且要求维持正常工作的时间尽量长。锂离子电池电量管理是锂离子电池的关键技术之一。实现锂离子电池的电量管理，可提升电池组的安全性、效率、寿命，从而提升系统的整体性能。此外，大多数应用场合需要显示电池组的剩余电量信息，以供使用者明确电池组的工作状态，及时对电池组进行充电。
       
        SOC指的是电池剩余电量值，它是电池使用过程中的重要参数。在对电池进行管理的过程中，必须要对电池的剩余电量也就是SOC进行估计。因此，SOC的精确估计非常重要。SOC估计与电池自身的特性和外界的因素有很大的关系。其中，最主要的因素有环境温度、充放电效率、自放电、电池的循环寿命等。另外，选用合适的SOC估计算法来进行剩余电量计算也是非常重要的。常见的SOC估算方法有放电实验法、开路电压法、安培积分法等。
       
        1、放电实验法这种SOC估计算法是精确估算电池剩余电量的最可靠方法，在实验室中经常采用这种方法。但是，当电池处于动态时，这种方法不适用。
        这种估算方法的策略比较简单，采用恒流将电池放电至截止电压，电流与时间的乘积就是剩余电量。
       
        2、开路电压法、开路电压法是指当电池处于开路的状态时，其电压值与SOC之间存在一个基本上趋于线性的比例关系。因此，我们只需要测量电池的开路电压值，就可以得到其SOC值。这种估算方法是最简单的。
       
        3、安培积分法安培积分法是比较复杂，需要考虑很多因素，例如温度、充放电效率，自放电率等，如果忽略这些因素，那么在对电池电量进行估计时会产生误差，这些误差会随时间而逐渐累加，最终对估算结果造成很大的影响。因此，在实际使用中，安培积分法一般都是与其它方法结合使用而不单独使用。
       
        安培积分法就是指通过计算电池在充放电过程中的容量变化的差值，获得电池的剩余容量。
          即电池的剩余电量=（总电量）-（已放出的电量）
          需要对电池进行长时间的监测，从而能够得到任意时刻电池的安时电量，然后对电流进行积分从而得到已放出的电量。
       
        本系统选择采用开路电压法。但是，电池不是一个简单的模型，它的电量会受到很多因素的影响，忽略这些因素会给电量估计带来较大的偏差。因此SOC估计需要加入各种补偿。SOC的补偿主要为充电率补偿、放电率补偿和温度补偿。
       
        将这些需要补偿的因素考虑进来以后，就可以对SOC进行较精确的估计。
       
        2.5电池均衡管理
          由于单体锂离子电池的电压只有4.2V，因此在许多设备中无法单独使用。我们需要将其串联起来构成锂电池组，这样可以得到较高的电压或较大的功率，方便应用于各种设备中。
       
        但是锂离子电池在串联使用时，当对锂电池组进行充电的过程中，单体锂离子电池之间会出现不均衡的问题，时间长了会导致电池组中各单体电池容量的不一致，这样势必会影响锂离子电池的使用寿命。为了保证电池组中各单体电池的一致性，我们需要设计均衡保护电路。
       
        2.5.1电池失衡的原因
          由于同一型号的锂离子电池其内部特性都存在差异，而且锂离子电池的使用次数和外部环境不同，因此，会导致锂电池组中单体电池的容量差异。
       
        但是，在对锂电池组进行充/放电的过程中，流过每一个单体电池的电流是相同的。这样，在充电时，容量小的电池会被先充满，单锂电池组会继续充电，这样势必会造成容量小的电池过充；同理，在放电过程中，容量小的放电快，容易造成过放。当出现过充和过放的现象，会影响该单体电池的使用寿命，同时会影响到锂电池组的整体放电能力。因此，为了解决锂离子电池组在充放电过程中产生的不均衡现象，需要在电池监控管理系统中设计均衡电路。
       
        2.5.2电池组均衡的方法
          电池组均衡是指通过合适的电路和控制方法，调节电压较高的单节电池，达到各节一致的目的。目前国外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和无能耗的方法。
       
        1、能量损耗型均衡法在对锂电池组均衡时，主要依据锂电池组中单体电池的端电压是否相同来判断整个电池组是否处于均衡状态。能耗型均衡电路的基本思路就是通过对单体电池电压值的检测，把电压高的电池单元中多余的能量通过电阻消耗掉。
       
        一种比较简单的均衡方法是电阻旁路法。电池组中每一个电池单元都并联一个分流电阻，当系统检测到电池组中某单体电池电压过高时，闭合旁路开关，
       
        接通旁路，利用分流电阻对该电池进行放电，将多余的能量通过分流电阻进行消耗。当信号检测电路检测到该单体电池电压下降到与电池组中其它电池一致时，认为电池组趋向于均衡，打开旁路开关，停止分流电阻对电池的进一步放电。这种均衡电路主要应用于小电流充放电的系统中。
       
        2、非能量损耗型均衡法能量损耗性均衡法由于通过分流电阻来释放多余的能量，因此会在电路中产生较大的热量，对整个系统的散热产生很大的影响，特别是在功率较大或者充放电电流比较大的系统中。因此，对于大功率大电流系统，通常采用非能量损耗型均衡法。
        非能量损耗均衡法是利用一个活动的分流元件把电压高的单体电池的能量转移到电压比较低的单体电池上。一种方法就是让相邻两节电池共享一个快速电容，这个快速电容在两节电池间不断转换，将高电量电池的部分电量转移到低电量电池上去。每个电容需要一个简单的控制器件来接通开关，就可以对高电压的串联电池组进行均衡。
       
        2.5.3结论
          在本文中，由于是小功率小电流系统，因此均衡电路的方案选用的是能量损耗均衡法，或者叫电阻分压均衡法。这种方法就是在单体电池两端设置旁路，在旁路中设置开关电路和分流电阻。其均衡原理是通过检测锂电池单体电压，打开或者关闭开关电路，通过分流电阻对电压高的单体电池进行放电，释放多余的能量，从而实现对整个电池组的均衡。这种方法电路简单，均衡控制容易，速度快。
       
        但是它是浪费了电池组的电能，同时使整个电池组和监控电路上产生了大量的热量，造成电池组和电路温度过高。因此，需要实时的对电池组温度进行检测，防止出现事故。