動力鋰離子電池管理系統設計方案

摘要：本文討論了動力鋰電池管理系統的設計方案，以實現對鋰電池動力電池組的過充電保護、過放電保護、過流保護和均衡充電等功能。

關鍵詞：鋰離子動力電池組；管理系統；過流；過放電；過充電；均衡控制

引言

鋰離子電池的廣泛應用已有十多年，但早期主要用于手機、筆記本電腦、攝像機、DVD等一系列小型移動式電子產品，這些場合往往都單串使用，負載電流較低，安全系數高。最近兩年來，鋰離子電池以其輕便、高能量密度、無污染等特點，已經開始在電動自行車、電動工具和動力玩具領域上得到快速應用，并逐步應用于混合動力車和電動車輛領域。但動力鋰離子電池的安全性仍是人們目前最為關注的問題，所以對其的保護就非常重要。除了確保鋰離子電池自身安全性的持續改進，必須同時研究電池的管理系統，使電池及其應用能均衡發展。鋰離子電池的保護主要包括過充電保護、過放電保護、過電流及短路保護等。

1保護電路的功能

1.1過充電保護

對鋰離子電池來說，其充電后單節電芯最高電壓不得超過規定值，否則電池內的電解質會被分解，使得溫度上升并產生氣體，降低電芯的使用壽命，嚴重時甚至會引起爆炸，所以保護電路一定要保證絕對不可過度充電，必須對電池組中每一節電池的端電壓進行監控，當電芯的電壓超過設定值時，即激活過充電保護功能，由保護電路切斷充電回路，中止充電。在電芯電壓回歸到允許的電壓并解除過充鎖定模式時，才能停止保護。不同材料的鋰離子電池其保護電壓和釋放電壓都有其不同的規定值。

另外，還必須注意因噪聲所產生誤動作，為了防止誤判和誤操作，還要設置過充保護延時，并且延遲時間不能短于噪聲的持續時間。當電壓持續超過過充檢測電壓一定時間以上才會觸發過充保護。

1.2過放電保護

鋰離子電池的過度放電，也會縮短其使用壽命，而且對電池造成的損害往往是不可逆的。為了防止鋰離子電池的過放電狀態，當鋰離子電池電壓低于其過放電電壓檢測點時，即激活過放電保護，中止放電，并將電池保持在低靜態電流的待機模式，參數設置類似過充保護。

1.3過電流/短路保護

鋰離子電池的最大放電電流有一定限制，過大的放電電流同樣會引起鋰電池的不可恢復的損壞，影響其使用壽命。

短路保護這個功能其實是過流保護的擴展，若由于外部短路等原因引起的大電流放電時要立刻停止放電，否則對鋰電池本身和外部設備都可能會造成嚴重的損害。

過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時時間是微秒級的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對電池帶來的巨大損傷。

就電動工具而言，保護電流值和延時時間的設置還必須和電動工具本身的參數結合起來，否則會影響工具的輸出扭矩和電機的壽命。

1.4電池均衡

動力鋰離子電池一般都要幾串、幾十串甚至幾百串以上，由于電池在生產過程中，從涂膜開始到成為成品要經過很多道工序，即使經過嚴格的檢測程序，使每組電源的電壓、電阻、容量一致，但使用一段時間以后，電池內阻、電壓、容量等參數產生波動，形成不一致的狀態，就會產生這樣或那樣的差異。這種差異體現為電池組充滿或放完時串聯電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導致電池組充電的過程中，電壓過高的電池芯提早觸發電池組過充電保護，而在放電過程中電壓過低的電池芯導致電池組過放電保護，從而使電池組的整體容量明顯下降，整個電池組體現出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量，而且使用時很容易發生過充和過放現象，且不易發現，導致提前失效。因此要求保護電路能夠完成電池單元的均衡操作，用以從具有較高電壓的電池抽取多余的電流，消耗多余的電量，實現電池均衡，最大限度地發揮動力鋰電池的效用，延長電池的使用壽命，增加安全性。目前常用的均衡方法有儲能均衡和電阻均衡。

儲能均衡是利用電池對電感或電容等儲能元件的充放電，通過繼電器或者開關器件實現儲能元件在不均衡電池間的切換，達到電池間的能量轉移。這種均衡充電方法一般控制網絡復雜，安全性管理要求高，在使用中應注意掌握好儲能元件的充放電時間，其最大的優點是充、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。

電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網絡的通斷對電池組進行分流均衡，這種方法可以同時對多節電池進行均衡，控制簡單。但是均衡過程中如果電阻選的過大，則均衡電流太小，效果甚微；如果電阻選的過小，則電阻功率很大，系統能量損耗大，均衡效率低，系統對熱管理要求較高，需要進行溫度檢測控制。

電阻均衡的原理是在電池組充電的過程中，當某節電池充電速度較快，電壓高于其他電池，系統通過控制開關控制均衡電阻的導通分流，降低電池的充電速度，以達到各節電池均衡充電的目的。

2保護功能的實現

對于鋰離子電池的保護方法主要有兩種：單片機控制和集成電路保護芯片。

2.1IC控制

目前可以實現鋰離子電池保護功能的芯片很多，國外、臺灣、大陸都有很多種芯片可以選擇，目前日系理光和精工的方案采用的比較多，方案成熟，外圍電路簡單，但是價格比較貴。

各種保護IC實現的功能相差無幾，其保護模式和外部線路也大同小異，在實際應用中可根據需要選擇不同IC。選擇IC的時候要多方考慮，不同型號的IC的過充電保護電壓是不同的，有4.25V也有4.35V的，還有IC的自身功耗、外圍電路是否夠簡單、保護IC的各參數精度是否符合要求，體積是否足夠小，都要考慮周到。

保護板除了保護功能完善以外，低功耗也是重要的參數。為防止過度放電，保護IC必須檢測電池電壓，一旦達到過度放電檢測電壓以下，就必須關斷功率MOSFET而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在，因此需要使保護IC消耗的電流降到最低程度，在保護狀態時，其靜態耗電流必須要小0.1uA。

另外動力鋰離子電池包工作或充電時瞬間會有高壓產生，因此保護IC應滿足耐高壓的要求。

圖1是以精工S-8254A為保護IC的4串應用原理圖。S-8254系列內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，是用于3節或4節串聯鋰離子或者鋰聚合物可充電電池保護的IC。通過SEL端子的切換，可用來保護3節或4節串聯電池。