鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) ― 鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)研究

2.3.2開關(guān)充電方式

相對(duì)于線性充電方式來說，開關(guān)充電方式具有最大的優(yōu)點(diǎn)就是低損耗，這種充電方式能夠在寬輸入電壓范圍和任意電池端壓范圍內(nèi)保持一個(gè)很低的損耗。線性充電方式由于其高損耗的缺點(diǎn)，在一些散熱條件差、環(huán)境溫度比較高的場所使用，可能會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因此，在這種環(huán)境下，采用開關(guān)充電方式是非常必要的。

但是開關(guān)充電方式也有其自身的缺點(diǎn)，這種方式所搭建的電路體積較大、復(fù)雜度較高，另外還有一些干擾問題。

2.3.3脈沖充電方式

脈沖充電方式是一種新型的充電方式，其充電過程在前半部分與恒流-恒壓充電方式是相同的，都是在開始時(shí)采用恒流對(duì)電池充電，當(dāng)電池電壓上升到4.2V以后，開始轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段，而不是恒壓充電。在脈沖充電階段，充電器間歇性的對(duì)電流進(jìn)行充電，充電電流值與在恒流充電階段相同。經(jīng)過一定時(shí)間，當(dāng)電池電壓超過4.2V后，充電回路被切斷，電壓會(huì)慢慢下降。下降到一定值后在打開充電回路繼續(xù)充電，重復(fù)進(jìn)行這些過程，直到電壓的下降速度足夠慢，認(rèn)為電池滿電量。

脈沖充電方式綜合了開關(guān)方式和線性方式的優(yōu)點(diǎn)。這種充電方式不會(huì)產(chǎn)生熱損耗，且效率很高，而且由于這種方式?jīng)]有額外的輸出濾波電路，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾。但是，脈沖充電方式也有其自身的缺點(diǎn)，就是成本比較高。這是由于它需要一個(gè)有限流功能的電源。

2.4電池電量管理

鋰離子電池的特性對(duì)設(shè)備的正常工作有很大影響。在實(shí)際應(yīng)用中，要求鋰離子電池能夠滿足工作的功率需求，并且要求維持正常工作的時(shí)間盡量長。鋰離子電池電量管理是鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的電量管理，可提升電池組的安全性、效率、壽命，從而提升系統(tǒng)的整體性能。此外，大多數(shù)應(yīng)用場合需要顯示電池組的剩余電量信息，以供使用者明確電池組的工作狀態(tài)，及時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。

SOC指的是電池剩余電量值，它是電池使用過程中的重要參數(shù)。在對(duì)電池進(jìn)行管理的過程中，必須要對(duì)電池的剩余電量也就是SOC進(jìn)行估計(jì)。因此，SOC的精確估計(jì)非常重要。SOC估計(jì)與電池自身的特性和外界的因素有很大的關(guān)系。其中，最主要的因素有環(huán)境溫度、充放電效率、自放電、電池的循環(huán)壽命等。另外，選用合適的SOC估計(jì)算法來進(jìn)行剩余電量計(jì)算也是非常重要的。常見的SOC估算方法有放電實(shí)驗(yàn)法、開路電壓法、安培積分法等。

1、放電實(shí)驗(yàn)法這種SOC估計(jì)算法是精確估算電池剩余電量的最可靠方法，在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用這種方法。但是，當(dāng)電池處于動(dòng)態(tài)時(shí)，這種方法不適用。

這種估算方法的策略比較簡單，采用恒流將電池放電至截止電壓，電流與時(shí)間的乘積就是剩余電量。

2、開路電壓法、開路電壓法是指當(dāng)電池處于開路的狀態(tài)時(shí)，其電壓值與SOC之間存在一個(gè)基本上趨于線性的比例關(guān)系。因此，我們只需要測量電池的開路電壓值，就可以得到其SOC值。這種估算方法是最簡單的。

3、安培積分法安培積分法是比較復(fù)雜，需要考慮很多因素，例如溫度、充放電效率，自放電率等，如果忽略這些因素，那么在對(duì)電池電量進(jìn)行估計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，這些誤差會(huì)隨時(shí)間而逐漸累加，最終對(duì)估算結(jié)果造成很大的影響。因此，在實(shí)際使用中，安培積分法一般都是與其它方法結(jié)合使用而不單獨(dú)使用。

安培積分法就是指通過計(jì)算電池在充放電過程中的容量變化的差值，獲得電池的剩余容量。

即電池的剩余電量=(總電量)-(已放出的電量)

需要對(duì)電池進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，從而能夠得到任意時(shí)刻電池的安時(shí)電量，然后對(duì)電流進(jìn)行積分從而得到已放出的電量。

本系統(tǒng)選擇采用開路電壓法。但是，電池不是一個(gè)簡單的模型，它的電量會(huì)受到很多因素的影響，忽略這些因素會(huì)給電量估計(jì)帶來較大的偏差。因此SOC估計(jì)需要加入各種補(bǔ)償。SOC的補(bǔ)償主要為充電率補(bǔ)償、放電率補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

將這些需要補(bǔ)償?shù)囊蛩乜紤]進(jìn)來以后，就可以對(duì)SOC進(jìn)行較精確的估計(jì)。

2.5電池均衡管理

由于單體鋰離子電池的電壓只有4.2V，因此在許多設(shè)備中無法單獨(dú)使用。我們需要將其串聯(lián)起來構(gòu)成鋰電池組，這樣可以得到較高的電壓或較大的功率，方便應(yīng)用于各種設(shè)備中。

但是鋰離子電池在串聯(lián)使用時(shí)，當(dāng)對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電的過程中，單體鋰離子電池之間會(huì)出現(xiàn)不均衡的問題，時(shí)間長了會(huì)導(dǎo)致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會(huì)影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設(shè)計(jì)均衡保護(hù)電路。

2.5.1電池失衡的原因

由于同一型號(hào)的鋰離子電池其內(nèi)部特性都存在差異，而且鋰離子電池的使用次數(shù)和外部環(huán)境不同，因此，會(huì)導(dǎo)致鋰電池組中單體電池的容量差異。

但是，在對(duì)鋰電池組進(jìn)行充/放電的過程中，流過每一個(gè)單體電池的電流是相同的。這樣，在充電時(shí)，容量小的電池會(huì)被先充滿，單鋰電池組會(huì)繼續(xù)充電，這樣勢必會(huì)造成容量小的電池過充;同理，在放電過程中，容量小的放電快，容易造成過放。當(dāng)出現(xiàn)過充和過放的現(xiàn)象，會(huì)影響該單體電池的使用壽命，同時(shí)會(huì)影響到鋰電池組的整體放電能力。因此，為了解決鋰離子電池組在充放電過程中產(chǎn)生的不均衡現(xiàn)象，需要在電池監(jiān)控管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)均衡電路。

2.5.2電池組均衡的方法

電池組均衡是指通過合適的電路和控制方法，調(diào)節(jié)電壓較高的單節(jié)電池，達(dá)到各節(jié)一致的目的。目前國外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和無能耗的方法。

1、能量損耗型均衡法在對(duì)鋰電池組均衡時(shí)，主要依據(jù)鋰電池組中單體電池的端電壓是否相同來判斷整個(gè)電池組是否處于均衡狀態(tài)。能耗型均衡電路的基本思路就是通過對(duì)單體電池電壓值的檢測，把電壓高的電池單元中多余的能量通過電阻消耗掉。

一種比較簡單的均衡方法是電阻旁路法。電池組中每一個(gè)電池單元都并聯(lián)一個(gè)分流電阻，當(dāng)系統(tǒng)檢測到電池組中某單體電池電壓過高時(shí)，閉合旁路開關(guān)，

接通旁路，利用分流電阻對(duì)該電池進(jìn)行放電，將多余的能量通過分流電阻進(jìn)行消耗。當(dāng)信號(hào)檢測電路檢測到該單體電池電壓下降到與電池組中其它電池一致時(shí)，認(rèn)為電池組趨向于均衡，打開旁路開關(guān)，停止分流電阻對(duì)電池的進(jìn)一步放電。這種均衡電路主要應(yīng)用于小電流充放電的系統(tǒng)中。

2、非能量損耗型均衡法能量損耗性均衡法由于通過分流電阻來釋放多余的能量，因此會(huì)在電路中產(chǎn)生較大的熱量，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的散熱產(chǎn)生很大的影響，特別是在功率較大或者充放電電流比較大的系統(tǒng)中。因此，對(duì)于大功率大電流系統(tǒng)，通常采用非能量損耗型均衡法。

非能量損耗均衡法是利用一個(gè)活動(dòng)的分流元件把電壓高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移到電壓比較低的單體電池上。一種方法就是讓相鄰兩節(jié)電池共享一個(gè)快速電容，這個(gè)快速電容在兩節(jié)電池間不斷轉(zhuǎn)換，將高電量電池的部分電量轉(zhuǎn)移到低電量電池上去。每個(gè)電容需要一個(gè)簡單的控制器件來接通開關(guān)，就可以對(duì)高電壓的串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡。

2.5.3結(jié)論

在本文中，由于是小功率小電流系統(tǒng)，因此均衡電路的方案選用的是能量損耗均衡法，或者叫電阻分壓均衡法。這種方法就是在單體電池兩端設(shè)置旁路，在旁路中設(shè)置開關(guān)電路和分流電阻。其均衡原理是通過檢測鋰電池單體電壓，打開或者關(guān)閉開關(guān)電路，通過分流電阻對(duì)電壓高的單體電池進(jìn)行放電，釋放多余的能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池組的均衡。這種方法電路簡單，均衡控制容易，速度快。

但是它是浪費(fèi)了電池組的電能，同時(shí)使整個(gè)電池組和監(jiān)控電路上產(chǎn)生了大量的熱量，造成電池組和電路溫度過高。因此，需要實(shí)時(shí)的對(duì)電池組溫度進(jìn)行檢測，防止出現(xiàn)事故。