基于SH366000的智能电池管理系统

基于SH366000的智能电池管理系统中颖电子股份有限公司高级工程师张朋翔摘要：本文结合中颖电子的智能电池管理芯片SH366000，围绕着锂离子电池安全和有效利用的目标，对信息采集、充电方式、SOC估算、安全保护、电芯均衡、人机接口、低功耗设计等方面的实现策略进行了比较与分析，总结了现有智能电池管理系统的不足，对未来的发展方向进行了展望。

关键词：锂离子电池、智能电池管理系统、SH366000、充电管理、电池平衡、电池保护中图分类号：TM912.6 文献标识码：ASmart Battery System Based on SH366000Abstract：On the basis of the Li-ion battery of safety and effective use, We analyzed t he existing solution of Signal sample、Charge mode、SOC estimate、Safety protection、Cell balance、Man-machine interface、Low power design etc，summarized its disadvant age， and predicted the develop direction of the future.Key Word：Li-ion Battery、Smart Battery System、SH366000、Charge Management、Ce ll Balance、 Battery Protection概述锂离子电池研究始于20世纪80年代，1991年由索尼公司首先推出了民用产品。

由于具备能量密度高、体积小、无记忆效应、循环寿命高、自放电率低等诸多优点，锂离子电池目前广泛应用于手机、MP3、笔记本电脑、相机等各种便携式设备。

尤其在笔记本供电方面，其优异的高能量优势更是发挥得淋漓尽致。

但是由于能量密度高及特有的化学特性，锂离子电池的安全性和稳定性方面亦存在隐患，如过高温和过充可能会燃烧甚至导致爆炸，过放电可能造成电池本身的损坏。

近年来，连续出现的笔记本电脑电池爆炸燃烧事故，导致了全球性的大批量电池召回现象，给生产厂家带来了巨大的经济损失。

为保证电池使用的安全性，在提高电池本身材料性能及加强工艺控制的同时，智能电池管理系统也成为锂离子电池应用研究的重中之重。

本文将结合中颖电子股份有限公司的锂离子电池管理与保护芯片SH366000，对智能电池管理系统中的关键技术进行阐述。

智能电池管理系统锂离子电池发展初期，电池管理系统一般只具有检测电池组电压、温度、电流及简单保护等功能。

随着锂离子电池应用范围越来越广，应用方式越来越多，对锂离子电池管理系统的要求也越来越高。

智能电池管理系统一般具有如下几个功能：电池组参数采集、剩余电量计算、电池组故障保护、电芯均衡、通信等。

●电池组参数采集电池组参数采集主要包括电池组中单体电池电压、系统电流、系统温度的采集，用于判定电池的剩余电量、故障保护等。

锂离子电池的电压最能体现电池的性能状态，既可以用于过充、过放等故障保护，也可以用于初步估计锂离子电池的剩余电量。

系统电流可用于判断是否出现过放或过流，还可以通过对电流与时间的积分，估计电池的剩余电量等。

系统温度主要用于防止电池组温度过高，发生安全事故，并对剩余容量计算进行补偿。

SH366000采用高精度的16位∆-Σ ADC，电压、电流的采集误差不超过±3mV、±2mA，最大限度的满足了锂离子电池容量统计和保护的需要。

●充电管理锂离子电池的化学特性，决定了其必须采用恒流/恒压(CC/CV)模式对电池组进行充电管理，而在低温或低压情况下，又必须使用小电流充电的方式。

SH366000提供恒流/恒压(CC/CV)模式对电池组进行充电管理，并基于当前的充电电压、充电电流判断当前电池组是否已经满充，即在电池组总电压接近于满充电压，充电电流接近于0电流时，SH366000判定电池组处于满充状态，切断充电回路。

SH366000具有预充电模式，在电池电压比较低，或者系统温度比较低时，只允许小电流充电，以防电池组受到冲击，发生损坏。

●剩余电量预测剩余电量是反映电池性能的重要参数，也是主机进行充电、放电的判断依据。

剩余电量的准确估算可以保护电池，防止过充、过放的发生，便于客户做出合理的时间安排。

当前，剩余电量的检测方式主要有开路电压法、库仑积分法、内阻法、卡尔曼滤波法、混合法等。

开路电压法是目前最简单的方法，根据电池的特性得知，在电池容量与开路电压之间存在一定的函数关系，当得知开路电压时，可以初步估算电池的剩余电量。

该方法精度不高，且只适用于静态检测，无法直接用于真实应用。

内阻法利用电池内阻和剩余电量的对应关系，来判定系统的剩余电量。

由于锂离子电池组的内阻随工作状态变化明显，不同特性的电芯之间也有差异，该方法的重点是如何能够快速得到当前应用条件下电芯的内阻。

如果可以快速进行内阻的自我测量，则可以得到相对准确的剩余容量。

库仑积分法是通过计算电池组电流与时间的积分，计算锂离子电池组充入和放出的电量，再与电池的额定电量比较，从而得出当前的剩余电量。

该方法简单、稳定，但必须对电流测量非常准确，否则会出现积累误差。

另外，锂离子电池的自放电以及在低温和大电流下其放电效率会变低，都会进一步降低了剩余电量的检测精度。

库仑积分法必须定期进行校正。

卡尔曼滤波法是指采用卡尔曼滤波算法，综合考虑电池组循环变化、电池老化、温度等影响，进而得到精准的剩余电量。

该算法相对而言最精准，但是算法复杂，又需要足够的实验数据，暂未得到具体的应用。

混合法是指通过内阻法/开路电压法与库仑积分法相结合的方式，通过开路电压法/内阻法的定期校正，使用库仑积分法得到精准的剩余电量。

该方法是目前使用最广泛的方式。

SH366000通过采用库仑积分法与改进型的开路电压法相结合的方式，根据系统负载大小、电芯温度、使用寿命，动态调整放电截止电压，从而最大可能的逼近电芯真实容量。

以4串1并（4S1P）容量2200mAh的锂离子电池为例，采用充电条件为恒流1100mA、恒压16800mV、充电终止条件为电流小于240mA，放点条件为恒流1100mA、动态放电终止电压约12600mV时，SH366000所统计电池满充容量与实际容量误差小于1%，保证电池运行时间。

图2 SH366000充放电实测数据●电池组故障保护在使用锂离子电池时，必须提供电池组故障保护，过热或过充均可能引起火灾或爆炸。

智能电池管理系统根据安全状态提供不同的保护方式。

SH366000检测电池组的电流、电压和温度及剩余电量，判断电池组是否发生了过充、过放、过温、过流等不安全状态，并适时关闭电池组，以避免对电池组造成损坏。

SH366000额外提供硬件短路保护，在发生正负极短接、充电器反接等异常情况下，可快速关闭电池组，避免对电池组及应用系统造成损坏。

在一级保护失效的情况下，SH366000可提供后备保护，熔断保险丝，永久关闭电池组，防止电池在不安全状况下继续充放电。

●电芯均衡由于锂离子电池的制作工艺限制，以及使用过程中温度、放电率等对电池的影响，电池组中各个单体电池之间存在电压、内阻和容量等差异，而且电池组经过多次循环之后差异会变得更加明显，导致电池组的使用寿命比单体平均寿命短很多。

同时对锂离子电池而言，由于其对充放电要求很高，当过充、过放、过流及短路等情况发生时，锂离子电池内热量大量增加，容易发生火花、燃烧甚至爆炸。

为确保安全性和稳定性，必须采取均衡措施。

目前锂离子电池均衡管理的方法可以分为耗能式和非耗能式。

耗能式是将电池组中电压较高的电池释放一部分能量，使其与其他电池保持一致；非耗能式是在单体电池之间或单体电池与整个电池组之间进行能量转移。

耗能式是通过给单体电池并联一个功率电阻和一个开关进行分流，将电池组中电压高的单体电池多余的能量释放，达到电池组电压均衡。

该方法简单、稳定，缺点是存在能量浪费、均衡时间长和散热等问题，一般只用于充电状态下的均衡。

非耗能式一般是使用储能元件转移能量使电池组电压保持一致，该方法均衡电流大、均衡效率高，但是电路复杂、控制复杂。

一般可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡。

能量转换式均衡是通过反激转换器由锂离子电池组整体向单体电池进行补充或由单体电池向电池组进行补充，该转换可以在某电池电压高于阈值时将其能量转换到电池组，也可以在某电池电压低于阈值时从电池组转换到该电池。

能量转移式是通过电容或电感把能量从电压高的电池转移到电压低的电池，从而达到均衡。

该方法的缺点是控制复杂，无法用于数量多的电池组，均衡时间比较长。

SH366000为节省外部元器件，提供内置平衡功能，最大平衡电流达40mA。

SH366000采集当前各串电芯电压，在充电过程中，当电池不平衡达到一定程度，对电压最高的电芯进行平衡。

可根据具体应用情况的不同，个性化设置平衡所需的最小电流、失衡压差、最低电压等参数，以满足不同特性电芯的需求。

●人机接口智能电池管理系统需要提供人机接口，以方便外界了解电池内部情况，对剩余电量、安全状态等作出预判，以便更好的安排后续应用。

SH366000提供LED显示和SMBus通讯两种人机接口，方便客户应用。

SH366000提供LED显示功能。

根据应用需求，SH366000可显示当前相对剩余电量(RSOC)或绝对剩余电量(ASOC)，也可配置为4LED或5LED模式。

SH366000提供SMBus通信功能，以方便主机读取电池数据和状态信息，并可以根据主机需要，对智能电池管理系统进行控制。

●低功耗为适应应用系统长时间待机的需求，智能电池系统必须提供低功耗待机模式。

SH366000提供两种低功耗待机模式：空闲模式(Sleep)和冬眠模式(Power Down)。

当电池组脱离电脑系统时，SH366000进入空闲模式，系统降低数据采样周期，总功耗得以显著降低。

在电池组接入电脑系统时，SH366000可快速恢复，进入正常状态，响应电脑主机通讯。

当电池组电压太低时，SH366000进入冬眠模式，功耗小于1uA。

该情况下，只有接入充电器系统方可唤醒。

SH366000也支持通过SMBus指令进入冬眠模式，以方便长途运输的需要。

智能电池管理技术发展趋势目前，智能电池管理技术仍然存在着一定方面的不足，未来的改进可能主要表现在如下几个方面：1）均衡方式待改进，均衡方式向非耗能式变化，提高均衡效率2）电池容量监控不够准确，无法针对不同电池组做差异化的充放电管理3）减少管理系统能耗，提高能量利用率4）系统集成度待进一步提高，降低系统复杂度随着锂离子电池应用的不断扩大，对其管理技术的要求也愈加提高，相信不断会有新的竞争者加入，智能电池管理技术也会得到更大发展。