智能电池管理系统

电池管理系统

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。智能电池管理系统简介

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，该参数可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。

电池管理系统的所有算法及保护都是以采集到的电池参数为基础的，因此必须保证数据的精确度。

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。

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

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。智能电池管理系统可分为一级保护和二级保护。

一级保护检测电池组的电流、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、过流和短路等不安全状态，并适时关闭电池组，以避免对电池组造成损坏。二级保护可以在一级保护失效的情况下提供后备保护，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。

1）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；

2）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。

通信

智能管理系统需对外提供SMBus通信功能，以方便主机读取转换数据和状态信息，并可以根据主机需要对智能电池管理系统进行控制。

智能电池管理发展技术趋势

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