鋰離子電池管理系統(tǒng)特性技術(shù)

王維佳 龍 澤 高 申

1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局

2.中國(guó)北方車(chē)輛研究所

因?yàn)槲覀兊哪茉丛接迷铰萁?，我們生存環(huán)境在不斷惡化，所以我們受到了能源的危機(jī)和人們環(huán)境保護(hù)的愿望強(qiáng)烈要求的因素的影響。所以鋰離子電池的產(chǎn)量得到了快速的發(fā)展，同時(shí)鋰離子的應(yīng)用領(lǐng)域也呈逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，鋰離子電池已經(jīng)慢慢地成為了二十一世紀(jì)最具有重要意義的高新技術(shù)產(chǎn)品。因?yàn)殇囯x子電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，是其他的電池不能相比的優(yōu)點(diǎn)，正是由于這些優(yōu)點(diǎn)的突出，所以人們才對(duì)鋰離子電池情有獨(dú)鐘。

1 鋰離子電池的特性

鋰離子電池具有單體工作的電壓相對(duì)比其他電池高，而且體積相對(duì)較小，質(zhì)量相對(duì)較輕，能量密度比其他的電池高，同時(shí)它也有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)很長(zhǎng)。每一個(gè)電池都會(huì)有自放電這種效應(yīng)，但是鋰離子電池的自放電電流很小，所以可以用在很多的電器上，不會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品造成損害。而且在使用中沒(méi)有記憶效應(yīng)的產(chǎn)生，相對(duì)其他電池沒(méi)有污染而且性價(jià)比很高。但是任何事物都有兩面性，同時(shí)鋰離子電池也不是沒(méi)有缺點(diǎn)的一種技術(shù)，它的缺點(diǎn)也會(huì)表現(xiàn)非常明顯，說(shuō)的可愛(ài)一點(diǎn)那就是很嬌氣，它在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的溫度，充電時(shí)的電流和電壓都要有嚴(yán)格的控制，如若在使用和充電的過(guò)程中稍微有一個(gè)不小心，就有可能導(dǎo)致鋰離子電池受到一定的損傷，甚至達(dá)到報(bào)廢的嚴(yán)重后果，有時(shí)候也會(huì)發(fā)生燃燒或者爆炸等嚴(yán)重事件。所以我們可以采用通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)電池充電和放電的過(guò)程采取靜置補(bǔ)充能量等一些有利的管理措施來(lái)保證電池。

2 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的正極材料采用了鋰化合物L(fēng)iCoO2負(fù)極采用了LixC6。鋰和碳層間化合物是LixC6，它的電解液是有機(jī)溶液。電池是通過(guò)正極產(chǎn)生的帶著正電的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入和遷出從而來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的充放電過(guò)程，當(dāng)放電時(shí)鋰離子會(huì)從正極到達(dá)負(fù)極，而在充電時(shí)把這個(gè)狀態(tài)反過(guò)來(lái)。在鋰離子電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)有鋰離子生成，生成的鋰離子會(huì)經(jīng)過(guò)電解液從而運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。因?yàn)樨?fù)極的碳是層狀的結(jié)構(gòu)，所以它會(huì)有有很多的小孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就會(huì)進(jìn)入到碳層的那些微孔中，從而把電能儲(chǔ)存在電池里面。鋰離子的充電容量是和嵌入負(fù)極的鋰離子成正比的。當(dāng)人們對(duì)電池進(jìn)行放電作用時(shí)，進(jìn)入負(fù)極的碳層中的鋰離子又會(huì)脫出，回歸到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量也就會(huì)越高。

3 鋰離子電池管理系統(tǒng)特性

鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時(shí)刻檢測(cè)電池內(nèi)部的電壓和電流等信息。我們可以通過(guò)這些電池內(nèi)部的具體參數(shù)來(lái)更加的了解電池的信息，判斷電池的工作狀態(tài)。

3.1 在電池的所有的內(nèi)部參數(shù)中，鋰離子的時(shí)時(shí)電壓可以很好地反映出鋰離子電池的工作狀況。鋰離子電池的過(guò)度充電和過(guò)度放電的依據(jù)就稱(chēng)為鋰離子電池時(shí)時(shí)的電壓值，同時(shí)我們也可以通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部的電壓值從而初步的估算鋰離子電池內(nèi)部的soc。通過(guò)以上的理論我們可以知道，對(duì)鋰離子電池的時(shí)時(shí)電壓進(jìn)行精確的檢測(cè)在鋰離子電池管理系統(tǒng)中是十分重要的。在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，對(duì)鋰離子電池組的時(shí)時(shí)電壓的檢測(cè)方法主要是利用電子繼電器和電容來(lái)做隔離處理，從而檢測(cè)出鋰離子電池的時(shí)時(shí)電壓值。

3.2 鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時(shí)時(shí)檢測(cè)出電池組的溫度和電流值，鋰離子的電池組工作時(shí)的電流和工作溫度也會(huì)影響鋰離子電池的工作狀態(tài)。所以檢測(cè)鋰離子電池組的溫度和電流也是很重要的。我們可以通過(guò)判斷電流的大小從而得知電池是否出現(xiàn)過(guò)放和過(guò)流，同時(shí)我們還可以通過(guò)計(jì)算來(lái)得出電池內(nèi)部的soc值，用來(lái)檢測(cè)電流和溫度的儀器一般是利用霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 鋰離子電池管理系統(tǒng)可以時(shí)時(shí)檢測(cè)出剩余電量。伴隨著能源的不斷枯竭，鋰離子電池組也不斷地發(fā)展到了各行各業(yè)中。最近鋰離子電池也在電動(dòng)汽車(chē)中利用的越來(lái)越多，所以電池組的剩余電量的時(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)我們?cè)谑褂秒妱?dòng)汽車(chē)時(shí)具有很大的影響。因?yàn)槭Ｓ嚯娏繒?huì)決定電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，如果我們不知道電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程就會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛半路拋錨等狀態(tài)的發(fā)生。但是由于鋰離子電池組的特殊性質(zhì)，所以剩余電量的多少將會(huì)受到很多因素的影響，其中會(huì)包括工作電流或者溫度以及自放電等因素，所以對(duì)鋰離子電池組的剩余電量的檢測(cè)相對(duì)比較困難。同時(shí)也是鋰離子電池組管理系統(tǒng)中的一個(gè)缺陷。

4 鋰離子電池管理系統(tǒng)的組成和作用

就當(dāng)前的技術(shù)，人們普遍的認(rèn)為鋰離子電池組的管理系統(tǒng)必須應(yīng)該具有以下的幾點(diǎn)功能：對(duì)電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，顯示鋰離子的剩余容量，通過(guò)電氣進(jìn)行控制充電和放電，同時(shí)均衡充電的電流，進(jìn)行熱量的時(shí)時(shí)管理等?；谝陨蠈?duì)鋰離子電池的管理系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，所以鋰離子電池管理系統(tǒng)應(yīng)該要具備的功能應(yīng)該有系統(tǒng)應(yīng)該包含的模塊有：一、用于消除那些由于電池組中的各個(gè)單體電池電量會(huì)出現(xiàn)不一致的均衡電路模塊；二、用于測(cè)量電池的電壓和電流和電池內(nèi)部的時(shí)時(shí)溫度的測(cè)量模塊；三、用于我們要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)的傳輸，所以必須得有模塊之間的通信的接口模塊，從而對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸功能。四、用于系統(tǒng)中的各個(gè)模塊傳輸過(guò)來(lái)之后是數(shù)字的信號(hào)，必須進(jìn)行處理之后才能讓人們看到電池的信息，所以也需要一個(gè)處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和監(jiān)控的管理模塊；五、用于人機(jī)只有進(jìn)行交互才能滿足人們對(duì)電池的信息進(jìn)行控制，所以人機(jī)接口模塊也必不可少。

5 鋰離子電池管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子電池的電池組在不同領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了一些產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，所以會(huì)對(duì)鋰離子電池的電池組管理系統(tǒng)的要求也會(huì)變得越來(lái)越高，經(jīng)過(guò)一些時(shí)間的考證，本文認(rèn)為鋰離子電池以后的發(fā)展的趨勢(shì)會(huì)有以下的幾點(diǎn)。

5.1 不論是能量耗散型的管理系統(tǒng)電路還是非耗散型的管理電路，它們都會(huì)朝著一個(gè)方向發(fā)展，那就是盡可能減小能量消耗。因?yàn)槟茉丛絹?lái)越匱乏，所以我們不能浪費(fèi)能量，節(jié)能是未來(lái)的主導(dǎo)者。

5.2 在我們的實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)該從生產(chǎn)廠家的角度出發(fā)來(lái)看待問(wèn)題，希望應(yīng)用到設(shè)備中的均衡電路的體積小，實(shí)現(xiàn)電路盡可能的簡(jiǎn)單化，從而可以降低成本。目前均衡電路在管理系統(tǒng)中的體積占到一半以上，所以日后如何減少均衡電路的體積和成本成為了研究的重點(diǎn)。

5.3 鋰離子電池管理系統(tǒng)的電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該變得適用性強(qiáng)，不僅可以對(duì)不同串?dāng)?shù)的電池組進(jìn)行均衡。而且由于使用中電池組的各種不同的組合，所以鋰離子電池管理均衡電路的可級(jí)聯(lián)性將成為很重要的因素。今后應(yīng)該會(huì)讓管理系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單化和實(shí)用。

6 結(jié)語(yǔ)

由于鋰離子電池具有比能量相對(duì)其他電池高、而且輸出的功率大、循環(huán)壽命比較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以鋰離子電池在在電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。伴隨著鋰離子電池的發(fā)展，鋰離子電池管理系統(tǒng)也在迅速發(fā)展著。鋰離子電池管理系統(tǒng)這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自己對(duì)電池保護(hù)、電池的時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、剩余電量的準(zhǔn)確估算、均衡充電和放電的過(guò)程?，F(xiàn)在經(jīng)常使用的均衡電路是電阻均衡或者電容均衡電路，電阻均衡效率低而且產(chǎn)生的熱量增加了電池的熱管理的難度；針對(duì)常用均衡電路均衡效率不好的情況，我們可以利用雙向的DC/DC 設(shè)計(jì)一種選通均衡電路，為我們的鋰離子電池管理系統(tǒng)增添一個(gè)好的技術(shù)。

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