新型鋰電池組智能管理模塊的介紹

1、新型鋰電池組智能管理模塊的介紹；MCU（微處理器）；平衡電路；溫度保護(hù) 0    引言    由于鋰離子電池具有放電電壓穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，自放電率低，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，體積小，重量輕及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸替代鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池，成為動(dòng)力電池的主流。但另一方面鋰離子電池對(duì)充放電要求很高，當(dāng)過(guò)充電發(fā)生時(shí)，電解質(zhì)會(huì)被分解，而使得電池內(nèi)部的溫度與壓力上升；當(dāng)過(guò)放電發(fā)生時(shí)，負(fù)極中電解材質(zhì)銅會(huì)熔化而造成內(nèi)部短路，使溫度增加；當(dāng)外部電路短路或放電電流過(guò)大時(shí)，由于高內(nèi)阻的特性，電池內(nèi)部功率消耗增加，溫度亦會(huì)上升，

2、可能引起電解液的氧化或分解，導(dǎo)致電池壽命縮短；當(dāng)以上情況發(fā)生時(shí)，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生火花、燃燒甚至爆炸1，因此，鋰離子電池?zé)o一例外地都加有保護(hù)電路。再者，由于動(dòng)力設(shè)備為減少大電流對(duì)鋰離子電池造成的損耗，使用的驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)高于單節(jié)鋰電池的3.6V，目前電動(dòng)自行車使用額定電壓一般為36V，電動(dòng)汽車則使用300V左右的電壓。這就使得必須使用多節(jié)鋰電池單元串聯(lián)組成電池組，這樣就解決了大電流造成損耗的問(wèn)題，但又帶來(lái)了鋰電池組組合的新問(wèn)題：各單節(jié)鋰電池內(nèi)部特性的不一致，必然導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充、放電不一致，故在充、放電過(guò)程中需要解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問(wèn)題。  &#

3、160; 本文介紹的智能動(dòng)力鋰離子電池組能源管理模塊安裝在動(dòng)力鋰離子電池組內(nèi)部，是以微處理器作為各種功能控制的核心，除了對(duì)鋰離子電池組提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護(hù)外，還可有效地對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供平衡保護(hù)、溫度保護(hù)、短路保護(hù)，并提供了通信接口。1    系統(tǒng)組成及主要功能    智能動(dòng)力鋰離子電池組能源管理模塊的設(shè)計(jì)思路，來(lái)源于筆記本電腦中的電池電源管理方案設(shè)計(jì)。筆記本電腦的電池電源管理能夠精確提供（或者顯示）電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括電池當(dāng)前的端電壓、電池溫度、電池內(nèi)阻、電池的剩余容量，使人們?cè)?/p>

4、用電池供電時(shí)，不至于在正常的工作中突然掉電而影響工作或造成數(shù)據(jù)的丟失；可以合理或者更科學(xué)地使用電池，不會(huì)使電池過(guò)放電和過(guò)充電，有效地延長(zhǎng)電池的使用壽命以及必要的保護(hù)和報(bào)警功能。電動(dòng)力設(shè)備如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力鋰離子電池組的能源管理同樣應(yīng)具有上述功能。本智能能源管理模塊主要由“管理功能”、“保護(hù)功能”和“通信功能”組成，相應(yīng)的功能框圖如圖1、圖2和圖3所示。2    主要工作原理及方案設(shè)計(jì)2.1    充電原理與方案設(shè)計(jì)    普通（常規(guī)）充電法的時(shí)序圖如圖4所示，它

5、是按預(yù)充、恒流、定壓三階段進(jìn)行5；由于本智能能源管理模塊的控制、檢測(cè)置于電池內(nèi)，而充電電源及適配器外置，雖然可通過(guò)通信接口與外接充電器形成一個(gè)閉環(huán)控制電路（電動(dòng)汽車具有此通信接口），但并不是所有用電設(shè)備都有。當(dāng)然亦可將充或放電開關(guān)管選擇為線性調(diào)節(jié)方式（等效為可調(diào)電阻），線性模式成本較低，但該模式功率消耗引起的發(fā)熱是非常大的，對(duì)如此小的系統(tǒng)，發(fā)熱是無(wú)法接受的。為了能夠達(dá)到兼容的目的，本智能能源管理模塊的預(yù)充與定壓充電采用間歇式充電法，如圖5所示，而恒流充電則借助于充電電源適配器的限流控制。    對(duì)裝有智能能源管理模塊的動(dòng)力鋰離子電池組充電時(shí)，必須外接與之

6、匹配的恒壓限流型的電源適配器，其恒壓值Uc為    Uc=4.2N損耗電壓（1）式中：N為電池節(jié)數(shù)。    限流值Ic為    Ic=（0.51）C（2）式中：C為電池容量，如C=10A·h，0.5C充電率即充電電流為5A。    在實(shí)行充電前必須先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后才按預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段進(jìn)行自動(dòng)充電。2.1.1    初始化   

7、0;雖然初始化階段并未開始對(duì)電池充電，但卻是整個(gè)充電過(guò)程很重要的一步。智能能源管理模塊在此階段對(duì)自身進(jìn)行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時(shí)檢測(cè)充電條件是否符合充電要求：    （1）外接充電電源極性是否正確；    （2）外接充電電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)；    （3）當(dāng)時(shí)溫度是否過(guò)熱或過(guò)冷；    （4）鋰離子電池端電壓（各單元）是否在允許的最低充電電壓以上；    （5）鋰離子電池端電壓（

8、各單元）是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓；2.1.2    預(yù)充    預(yù)充電不是每次都要進(jìn)行，其目的是當(dāng)電池過(guò)度放電、存放時(shí)間太長(zhǎng)或電池已經(jīng)損壞，電池端電壓已經(jīng)低于鋰離子電池允許的最低充電壓以下時(shí)，必須以小的電流（約為正常充電電流的1/10）進(jìn)行預(yù)充，使鋰離子電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上，才能轉(zhuǎn)為下一個(gè)充電程序恒流充電。    預(yù)充原理是電源適配器通過(guò)MCU控制向電池施加一個(gè)比較小的充電電流（約為正常充電電流的1/10），使得低于允許的最低充電壓以下的電池在固定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最

9、低允許充電電壓值，避免將深度放電的電池認(rèn)為是不可充的電池。    如圖6所示，本模塊的預(yù)充是電源適配器通過(guò)預(yù)充開關(guān)管S1、電阻R4、S3向電池預(yù)沖的，這時(shí)MCU通過(guò)程序控制放電開關(guān)管S3全導(dǎo)通，預(yù)充開關(guān)管S1做間歇式導(dǎo)通，剛開始時(shí)采用較短的導(dǎo)通時(shí)間及間隔較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間（等效平均電流較?。┫螂姵仡A(yù)沖，在S1截止期間檢測(cè)各單元電池的電壓，若電壓升高可適當(dāng)加大S1的導(dǎo)通時(shí)間及減少間隔時(shí)間使之保持在一相對(duì)平衡的充電功率之下，直至電池的端電壓上升到鋰離子電池允許的最低充電電壓（2.52.7V之間，與溫度有關(guān)），然后進(jìn)入下一充電階段恒流充電；若長(zhǎng)時(shí)間預(yù)充電池端電壓都

10、不能到達(dá)最低允許充電電壓，則說(shuō)明電池已損壞，程序進(jìn)入充電禁止?fàn)顟B(tài)。2.1.3    恒流充電    本模塊對(duì)鋰電池恒流充電要求外置充電電源是恒流的，其恒流值應(yīng)小于鋰離子電池的最大允許充電電流（<3C），一般定為0.5C。MCU通過(guò)程序控制充電開關(guān)管S2、放電開關(guān)管S3全導(dǎo)通，電源適配器通過(guò)充電開關(guān)管S2、放電開關(guān)管S3向電池組恒流充電。電池電壓將緩慢上升，一般按0.5C恒流充電的時(shí)間為2h，這時(shí)電池電量達(dá)到了滿電量的7080。當(dāng)單個(gè)電池單元電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓時(shí)，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入保

11、持充電過(guò)程。2.1.4    保持充電    傳統(tǒng)鋰離子電池充電器方案中采用電流漸變方法，使充電電流在鋰離子電池接近充分充電時(shí)逐漸下降，以減少充電電流在電池內(nèi)阻保護(hù)器和引線上形成的電壓差，提高電池端電壓監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。這種電流漸變并不是由電池的電化學(xué)特性要求的，可由其他方法確保判斷電池已充分充電，則可大大放寬對(duì)充電電源的要求。    本模塊保持充電采用間歇充電形式，在電池電壓接近充滿時(shí)，間歇地關(guān)斷充電電流，并在關(guān)斷期間檢測(cè)電池端電壓來(lái)判定電池是否充滿，從而適時(shí)終止充電狀態(tài)；亦可

12、采用保持充電時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，然后在一個(gè)固定的延時(shí)后終止充電；也可檢測(cè)充電電流，當(dāng)充電電流跌落到一個(gè)下限值時(shí)終止充電（典型值是恒流值的5）。2.2    平衡電路原理與方案設(shè)計(jì)    當(dāng)鋰離子電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)良、質(zhì)量再好，若配組使用的各單體電池特性不一致，都會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過(guò)充和過(guò)放情況的嚴(yán)重不一致，就內(nèi)部單體電池而言，串聯(lián)使用比單個(gè)使用更容易發(fā)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，且不易發(fā)現(xiàn)。任意一個(gè)電池的特性加劇惡化時(shí)，將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它電池發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)的連鎖性、加劇性損壞。電

13、池組的品質(zhì)由其中質(zhì)量最差的一只電池決定，一只電池質(zhì)量差不僅影響了整個(gè)電池組的性能，還會(huì)引起惡性的連鎖反應(yīng)，使差的更差，好的也會(huì)迅速變差。一只不好，會(huì)使整個(gè)電池組損壞，其損失可想而知2。    為解決上述問(wèn)題，目前通用的做法是將單體電池精選配對(duì)，組合成優(yōu)質(zhì)的電池組，最大限度地減小單體電池間的差異。但由于我國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)單位多、原材料性能不穩(wěn)定、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量離散性大等因素，使得電池組的配組技術(shù)不完善，造成了動(dòng)力鋰離子電池組質(zhì)量的不穩(wěn)定。    就算動(dòng)力鋰離子電池組解決了配組的前期技術(shù)問(wèn)題，電池組在使

14、用中亦會(huì)使其特性產(chǎn)生變化，目前對(duì)電池組在使用中由于特性變化產(chǎn)生的導(dǎo)致電池組整體特性急劇衰退和部分電池加速損壞的現(xiàn)象，并無(wú)有效的解決辦法，只能在電池組充、放電過(guò)程中檢測(cè)到有一個(gè)電池處于過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)，保護(hù)電路就將整個(gè)充、放電電路關(guān)斷。    由于上述原因，動(dòng)力鋰離子電池組在實(shí)際使用中（特別是充電時(shí)）解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問(wèn)題極為重要。    電池組各單元電量的平衡可采用電阻平衡、電容平衡、電感平衡等多種方案。    電阻平衡原理圖如圖7所示。B1、B2Bn為組成鋰離子

15、電池組的各單元電池，K1、K2Kn為MCU控制的多路開關(guān)，R1、R2Rn為放電平衡電阻。當(dāng)電池組充電時(shí)充電電流I在各節(jié)電池中都相等。當(dāng)某節(jié)（例如：B2）電池電壓高于其他電池超過(guò)某值時(shí)，MCU控制的多路開關(guān)K2合上，B2通過(guò)R2分流，使B2電壓下降，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡(jiǎn)單、可靠，但電阻會(huì)消耗電能并發(fā)熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點(diǎn)是放電（工作）使用中，各單元平衡則白白消耗了鋰離子電池組的電能。    電容平衡原理圖如圖8所示。B1、B2Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2Kn為MCU控制的

16、多路開關(guān)，C為平衡電容。當(dāng)電池組充電時(shí)電流I在各節(jié)電池的壓降，若某節(jié)（例如：B2）電池電壓高于其他電池超過(guò)某值、而B3最低，CPU控制的多路開關(guān)K2、K3合上，KA、KB都切換在a點(diǎn)，B2通過(guò)K2、K3、KA、KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開關(guān)K3、K4合上，KA、KB切換都在b點(diǎn)，電容C通過(guò)K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電壓下降，B3電壓上升，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案亦較為簡(jiǎn)單、可靠，但使用中應(yīng)注意掌握好電容充放電時(shí)間，其最大的優(yōu)點(diǎn)是充、放電（工作）使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。本智能能源管理模塊

17、就是采用電容平衡方案。2.3    電壓檢測(cè)原理與方案設(shè)計(jì)    鋰離子電池在充電時(shí)為防止過(guò)充損壞電池，要求其端電壓嚴(yán)格控制在4.2V以下，其精度要求為1。本智能能源管理模塊采用圖9所示電壓檢測(cè)方案。其工作原理是：首先MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2（n=1，2，3，4，5，6，7），同步地將電容分別的接到各單元電池兩端，使電容充電且使電容電壓等于被測(cè)單元電池的電壓；然后MCU控制多路開關(guān)Kn-1、Kn-2、斷開，同時(shí)合上開關(guān)K1和K2接入A/D進(jìn)行測(cè)量。此方案可直接使用微處理器內(nèi)的8位共地A/D，不需要另外

18、單獨(dú)加入A/D，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。2.4    大功率電子開關(guān)的選擇    本智能能源管理模塊的各種保護(hù)及工作狀態(tài)都要用到大功率電子開關(guān)，本模塊采用大功率、低導(dǎo)通電阻的MOSFET，電路如圖6所示。使用MOSFET的原因是因?yàn)楸倦娐芳扔谐潆娀芈罚钟蟹烹娀芈?，為此電子開關(guān)器件應(yīng)具有雙向?qū)芰Γ鳰OSFET具有此種能力。    電路本應(yīng)該用一只MOSFET即可控制電流雙向工作，但電路采用兩只同類MOSFET反向?qū)哟?lián)組成的原因是由于MOSFET內(nèi)都集成了一只二級(jí)管，電路始終

19、有一端被二級(jí)管導(dǎo)通。故電路作為電子開關(guān)必須串聯(lián)兩只MOSFET才能組成。    本模塊的MOSFET，選用日立公司的Low RDS(on)的D7-L系列，其典型的導(dǎo)通電阻為10.5m（Vds=30V；Id=30A時(shí)）與4.4m(Vds=30V；Id=60A時(shí))。2.5    溫度保護(hù)方案設(shè)計(jì)    鋰離子電池充電時(shí)對(duì)其溫度有較高的要求，不能過(guò)熱（>45）或過(guò)冷（<10），否則將會(huì)導(dǎo)致性能下降、損壞，甚至出現(xiàn)其它安全（如爆炸等）問(wèn)題，因此，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)并實(shí)行保護(hù)是必需的。    本方案選用MAXIM公司推出的溫度監(jiān)控器MAX6501-MAX6504，對(duì)測(cè)量溫度值不進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，只檢測(cè)溫度是否超出了某個(gè)預(yù)訂范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)電路。    MAX6501-MAX6504是具有邏輯輸出的溫度監(jiān)視器件，采用5腳SOT23封裝，工作電壓范圍為