（电力电子与电力传动专业论文）锂电池智能管理系统.pdf

浙江大学顺上学位j 仑文 a b s t r a c t a b s t r a c t l i t h i u m i o n l i t h i u m - p o l y m e rb a t t e r y i san e wk i n do fr e c h a r g e a b l eb a t t e r y d e v e l o p e ds i n c e9 0 s i t sh i g he n e r g yd e n s i t ya n dl o n gl i f em a k ei t v e r ys u i t a b l ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so fe l e c t r o c h e m i s t r ya n de x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec h a r g em e t h o d s ，c e l le q u a l i z a t i o na n dt h e c o n s t r u c t i o no fl i t h i u m - i o n l i t h i u m - p o l y m e rb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m e x p e r i m e n t r e s u l t sa n dd e t a i l e d d e s i g n s o fal i n e a r c h a r g e r a n das w i t c h m o d e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e m a r e p r e s e n t e d 浙江大学坝士学位论文 第一章绪论 科技的进步、笔记本电脑、微型计算机、数字照相机、移动电话、医疗器材 以及近地轨道的地球卫星和高轨道的同步卫星等新型电子仪器设备的发展，对电 池产业提出了更高的要求。低成本，高能量密度，高电压，轻型化，使用温度宽， 循环寿命长，安全性能好的全新的绿色电池，特别是可充电二次电池备受人们关 注。 目前广泛使用的便携性二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和 锂聚合物电池等几种”1 。镍镉电池是最基本的便携式二次电池。它的能量密度只 有4 0 一5 0 瓦特一时每公斤( w h k ) ，8 0 1 2 5 瓦特一时每升( w h 1 ) ，并且已经接近 了极限值。比镍镉电池更加先进、更优越的是镍氢电池。镍氢电池除了具有较镍 镉电池高的能量密度之外，还是一种环保电池。它的能量密度达到了 5 0 6 0 w h k g ，1 0 0 1 7 0 w h l 。但是由于其高成本，还不能完全取代镍镉电池。锂 离子电池是近几年才快速发展起来的，真正无污染的高性能二次电池，它的能量 密度高达1 4 0 2 0 0 w h k g ，3 0 0 4 0 0 w h 1 ，远大于镍镉及镍氢电池。锂离子电池具 有体积小、比能量大、寿命长，放电性能好等特点。短短几年时间里，己广泛应 用于笔记本电脑、手机、便携式d v d 及v c d 等设备上。锂聚合物电池与锂离 子电池类似，不同之处在于其电解质为胶状，所以可以做成任何形状。 常温锂电池是各类二次电池中多项性能指标最好的一种电池。在通常容量 下，它具有两倍于n i m h 电池的能量密度，单体电动势达到3 6 v ，并且随着生 产技术的发展，还有进一步优化的趋势。锂电池具有这么多的优点，同时它的制 造成本却相对低廉，因此是未来最有前途的便携性二次电池。锂离子电池和锂聚 合物电池的优点总结如表1 1 所示。 目前，锂电池已经广泛使用在便携式设备当中，在一些对电池的体积、能量 密度、稳定性和使用寿命等要求较高的场合( 如空间站，通讯卫星或通讯基站等) ， 大容量的锂电池也越来越多的被人们所采用。 糍；：天学赣量擘健趋空 4 表1 1 锂电池尊j 锂聚台物电池的主要优点 电池类别镪离子电池镪聚合物电池 1 具有键燕子电涎爨全都 茏点 2 无电池漏液问题，其电池内部 不舍滚态邀解滚，镬蠲胶态弱蕃 体。 3 + 可制箴薄黧电港；以 l ，离的能爨密度3 6 v 4 0 0 m a h 的容量，其厚度可 2 商的工作电压薄至o 5 r a m 。 3 笼记忆效应4 电池可设计或多釉形状 主要优点4 循环寿命长5 ，电池可弯曲变形：高分子电 5 茏污染滤聚夫可弯錾9 0 0 。左右 6 重量轻6 可制成单颗高电压：液态电 7 冬教毫小解壤靛毫涟谖靛蔽数鬏毫涟宰 联得到高电压，高分子电池由于 本身无液体，可在筚颗内做成多 滕组合来达到高电压。 7 容量将比同样大小的键离子 电池裹枣嫠 当锾宅渣静管理方法主要京鬻耪： 1 基于专用芯片的锂电濑管理 在便携式应用中，人们一般采精容量稻对不大的锤电洮，戮求在设备的便携 性与工作时间之间敷得一定的平缴。同样的，作为设备内部锂电池的管理系统， 冀体积和照量也成该尽量缩小。而且，由于电池容量不大，因此电池管理的内容 螅对麓单，一般不涉及复杂豹均鬻等阉题。因此，基于专蠲芯片的铿电池镑理在 这些设备当中非常普遍。这些专用芯片在定的外闰电路的配合下，能够实现简 繁静电漶楚放电蛰瑾窝一些蓠蕈的镙护功链，完全能够滚是经携式设鍪熬惹要， 同时有效的控制了设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。目前的芯片有能够 浙江大学硕卜学位论文 荦独使用，实现简单充放电保护功能的；也有带微机控制接口，能够与处理设备 协同工作，实现相对复杂功能的。基于专用芯片的电池管理已经成为便携式设备 电池管理的最主要方式。 但是专用芯片的功能单一，因此灵活性较差，同时它无法提供圆满的均衡充 电方案，具有一定的局限性。 2 基于监控测量的大容量智能化锂电池管理系统 在某些应用场合，特别是电池容量大，性能要求高的场合，专用芯片由于其 局限性已经失去了用武之地。取而代之的，我们需要一个具有一定处理功能的设 备( 如单片机) 来集中处理采集来的电池数据( 包括电池电压、电流、温度等) ， 通过这些数据判断电池所处的状态，依据一定的管理方法，对电池采取智能化的 管理方式，以求达到最有效使用电池容量和延长电池使用寿命的目的。 本论文介绍了锂离子电池和锂聚合物电池的电化学原理，分析了它们的充放 电特点和使用过程中应当注意的问题，讨论了锂电池管理系统的主要构成和设计 方法，最后设计制作了两个典型的锂电池充电器及其保护电路，并给出了实验结 果。 浙江人学硕i 学位论文 第二章锂电池的原理及其特性 本章主要介绍了锂离子电池和锂聚合物电池的化学组成，电化学原理，充放 电特性，温度特性等等。并既明了锂电池与其他电池的区别和在使用过程中必须 注意的问题。 主要内容： 锂电池的类别及其化学特性 锂离子锂聚合物电池的外特性 浙i 【， 。学钡1 ：学位论文 第一节锂电池的类别及其化学原理 锂电池主要分为两大类：一次锂电池和二次可充电锂电池。一次锂电池不可 充电，只适用于某些特殊的场合，我们在这里不作详细的介绍。本章将着重介绍 各种二：次可充电锂电池，主要包括锂离子电池( l i t h i u m i o n ) 和锂聚合物电池 ( l i t h i u m p o l y m e r ) 。 鹤方子鲁趱( l i t h i u m - i o n ) 口噶 锂是元素周期表中原子量最小( 6 9 4 ) 、比重量小( o 5 3 4 9 e r a 3 ，2 0 。c ) 、电化 学当量最小( o 2 6 9 ( a 蚰) 、电极电势最负( 一3 0 4 5 v ) 的金属。锂作为负极的 锂电池具有开路电压高( 3 v 以上) ，比功率高( 超过2 0 0 w h k 。和4 0 0 w k 一) ， 放电电压平稳，适用范围大和使用寿命长等特点。“1 早期的锂电池直接在负极 中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积和锂枝晶，并且产生腐蚀现象，大 大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。 为了解决这一问题，人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极 和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极 转移到负极或者从负极转移到正极，如图2 1 所示。”1 电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实 现电池的充放电过程。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成 攀嚯n e g a i i v e 髓臻瞥日e m i 归o n _ 日口日日p a s s i v a t i n gl a y e r 图2 1 锂离子电池的结构示意图 浙江人学坝卜学位论文 的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔， 到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。 同样道理，当对电池进行放电时( 即使用电池的过程) ，嵌在负极碳层中的锂离子 脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。通常所说的电 池容量指的就是放电容量。“1 一般锂离子电池的负极由碳( c ) 材料构成，正极由锂金属氧化物( l i m 0 。) 构成，主要的化学反应为： 负极反应：l f + + e 一+ 6 cjl i c 。 正极反应：l i m 0 2j l i ( i - x ) m 0 2 + x l i + + x e 一 总反应式：l i m 0 2 + 6 x c 铮l i ( i - x ) m 0 2 + x l i c 6 通过使用锂离子替代金属锂，大大增加了电池的稳定性，基本消除了结晶现 象和电极腐蚀，使电池循环寿命得到了很大的提高。 使用不同的活性材料，包括电池的正极材料、负极材料和电解质，电池的性 能特性也会有所区别。下面对锂离子电池组成部分的研究状况作一简单介绍。1 负极材料 实验证明，无论是晶状结构的碳，还是无定形的碳，都能够嵌入锂，都可以 作为锂离子电池中的负极材料。其中，石墨由于其低成本、较低的电压( 从而能 得到较高的电池电压) 、高容量和高可恢复性的优点，被大部分的电池厂商采用。 正极材料 锂钴氧化物( l i c 0 0 2 ) 其理论容量密度为2 7 4 m a h g ，目前其实际容量密度约为1 4 0 m a h g 。由于其 具有生产工艺简单和电化学性质稳定等优势，所以率先占领市场。作为锂离子电 池i f 极材料的锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、 循环性好的优点，其结构适合锂离子嵌入和脱出。在反复的充放电过程中，由于 浙江大学硕 学位论文 锂离子的反复嵌入与脱出，使活性物质的结构在多次收缩和膨胀后发生改变，同 时导致l i c 0 0 2 发生粒间松动而脱落，使内阻增大，容量减小。 锂镍氧化物( l i n i 0 2 ) 锂镍氧化物的理论容量密度为2 7 4 m a h g ，实际容量密度己达 1 9 0 m a h g 2 1 0 m a h g 。其自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低。与 l i c 0 0 2 相比，l i n i 0 2 具有一定的优势。这是由于钴与镍相比，价格高、储量少。 l i n i 0 2 与l i c 0 0 2 结构相同，取代容易。 锂锰氧化物( l i m n 2 0 4 ) 锂锰氧化物理论容量密度为2 8 3 m a h g ，实际容量密度在1 6 0 m a h g 1 9 0 m a h g 之间。其突出优点是稳定性好，无污染，工作电压高，成本低廉。目 前应用较多的是尖晶石型l i m n 2 0 。，其具有三维隧道结构，比层间化合物更利于 l i + 的嵌入与脱出。l i m n 2 0 4 是最具发展潜力的锂离子电池正极材料，合成方法有 固相法和液相法，作为a a 型锂离子电池正极，可使电池容量密度达4 0 0 m a h g ， 平均工作电压达3 8 v 。 纳米正极材料 作为锂离子电池用的纳米正极材料，已有纳米结晶尖晶石l i m n 2 0 t 、钡镁锰 矿型m n 0 2 纳米纤维、聚吡咯包覆尖晶石型l i m n 2 0 4 纳米管、聚毗咯，v 2 0 5 纳米 复合材料，其高空隙率为锂离子的嵌入与脱出和有机溶剂分子的迁移提供了足够 的空间。目前，国内的研究机构已开发合成了钡镁锰矿型纳米锰氧化物、钡镁锰 矿与水羟锰矿型复合层状纳米锰氧化物。 综上所述，l i c 0 0 2 在今后仍然有发展潜力。因为l i c 0 0 2 具有良好的电化学 性能和3 6 v 的工作电压，且目前对l i c 0 0 2 的研究已较为成熟，在短期内仍将是 市场的主流产品。但l i c 0 0 2 与电解液的相容性不理想是需要解决的问题。另外， 由于其价格较贵，加上钴的储量有限，如果在性能价格比上没有突破的话，将有 可能逐步被取代。l i n i 0 2 具有价格和储量上的优势，其实际容量已接近理论容量 的7 0 8 0 。尽管l i n i 0 2 有自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较 低等优点，但只有提高其工作电压，并在制各方法上适应工业生产的要求，才具 有更好的实用性。l i m n 2 0 4 具有安全性好、无环境污染、工作电压高、成本低廉 浙江人学坝卜学位论文 的特点，其三维的隧道结构，比层问化合物更利于锂离子的嵌入与脱出，因此是 现在和今后一段时间内的主要研究对象。但l i m n 2 0 4 与电解液的相容性不佳，其 高温循环寿命短等是亟待解决的问题。纳米材料、钒氧化物等新型材料，虽然目 前还处于探索阶段，离实用还有相当距离，但它的兴起也为锂离子电池正极材料 的发展注入了活力。 电解质 锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。由于电解质溶 液不参加电化学反应，在充放电过程中不像一般水溶性电解质那样会被消耗掉， 所以电池不需要维护，这是一个很大的优点。电解质的研究开发对锂离子二次电 池的性能和发展是非常重要的。锂离子二次电池的成本将主要取决于电解质的成 本。锂离子电池对电解质溶液的要求是：应有较高的导电性，特别是对负极要有 高的锂嵌入量和相容性：有机溶剂的分解电压要高，以减少自放电和电池内部的 气体压力：使用安全、无污染、价格低廉。 目前锂离子二次电池主要使用的锂盐有：l i c i o 。、l i a s f 。、l i p f 。等，一般将 它们溶解于非质子性的有机溶剂中，如碳酸丙烯酯( p c ) 、碳酸乙烯酯( e c ) 、碳酸 二甲酯( d m c ) 、四氢呋喃( t h f ) 、乙二醇二甲醚( d m e ) 等，为了改善性能常采用混 合有机溶剂。有人认为l i c l o 。为强氧化剂，使用不安全，不宜用于电池；l i a s f 。 虽然性能颇佳，但有毒且价格较贵更不应使用；l i p f 。提纯困难、价格较贵，但 被认为是目前较合适的电解质，一般将它溶解入e c 和d m c 的混合溶剂中，e c 与 d m c 的配比以3 ：7 或8 ：2 时溶剂对碳电极的相容性较好，电解质的浓度为i m o l l 。 镗：蔡兮彩琦魈( l i t h i u m - p o l y m e r ) b 川 锂聚合物电池是目前最先进的可充电电池，欧、美、日等各国都大力进行研 究和开发。聚合物锂离子电池主要优点：体积小、重量轻、能量密度高( 1 2 0 w h k g 1 6 0 w h k g ) 、自放电小、无记忆效应、安全性能好、可制成任意形状( 这是最为关 键的1 。现有的锂离子充电电池由于电解液较多，可燃性高，在安全方面难以保 浙江人学硕士学位论文 证。而锂聚合物充电电池使用多孔性高分子材料为电解质，减少了电解液，不易 泄露，因而能够确保其安全性。该电池的重量能量密度要达到1 3 0 w h k g ，体积 能量密度为3 0 0 w h 1 ，输出功率密度为4 0 0 w k g 。现有的n i m h 充电池的重量 密度为6 0 w h k g 。6 5 w h k g 、锂离子充电电池为9 0 w h ，k a 。1 0 0 w h k g 。 锂聚合物电池主要由正极、负极与隔离纸等构成。目前所开发的锂聚合物电 池中，高分子材料主要被应用于正极及电解质。正极的材料包括有导电性高分子、 有机硫磺系化合物，或一般锂离子二次电池所采用的无机化合物。电解质则可以 使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液；负极则通常采用锂金属或锂碳 层问化合物。 锂聚合物电池跟现在市面上的锂离子电池来比较的话，锂聚合物电池在形 状、无放电、信赖性与环境问题等方面都还有相当大的发展空间。在形状方面， 锂聚合物电池具有可薄形化、可任意面积化与可任意形状化等多项优点，因此可 以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池。在无放电特性方面，锂聚合物电 池因为可以采用高分子正极材料与锂金属负极，其重量能量密度将会较目前的锂 电子_ 次电池提高5 0 以上。而在信赖特性方面，则因为高分子锂二次电池的 电解质采用高分子材料，不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的顾虑。目前许多厂 商都己推出商品化的锂聚合物充电电池。包括有日本的日立、m a x e l l 、y u a s a 、 t o s h i b a 、美国的u l t r a l i f e 、m o l t e c h 和加拿大的e 1 e c t r o f u e l 等多家公司，而所强 调的重点都是在于其超薄的特性。一般而言，锂聚合物电池的厚度约为2 m m 4 m m ，与目前的锂离子二次电池的最小厚度( 6 m m ) 相比可至少降低5 0 左右，因 此可给厂商在设计产品时提供相当大的弹性空间。 浙江人学硕0 学位论文 第二节锂离子锂聚合物电池的外特性 由于锂离子电池和锂聚合物电池的外特性基本致，所以接下来选取锂离子 电池作为我们讨论的对象。“” 电池电压 锂离子电池的电池开路电压( o c v ) 与电池的正负极材料、电池的充电状态 有关。电池的额定电压有3 6 v 和3 7 v 两种，目前使用比较普遍的是3 7 v 的电 池。该电池的充电终止电压为4 2 v ，放电终止电压一般为2 7 5 v ( 不同的厂商有 不同的推荐值) 。从表2 1 吨1 可以看出，锂离子电池的单体电压相当于镍镉、镍 表2 1 电池工作电压 充电电压额定电压放电终止 l电池种类 ( v )( v )电压( v ) 镍镉电池( n i c d ) 1 4 31 21 1 l 镍氢电池( n i m h ) 1 4 3l _ 21 1 1 锂离子，锂聚合物电池 4 23 62 7 5 ( l i t h i u m - i o n l i t h i u m - p o l y e r ) 氢电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数 目只有镍镉、镍氢电池的1 3 ，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、 增加了整个电池组的稳定性。 但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1 。如果电池的终 止充电电压是4 2 v ，那么允许的误差范围就是o 0 4 2 v 。终止电压过高，将会影 响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象( o v e r c h a r g e ) ，对电池造成永久性的 损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。 图2 2 显示了充放电时电池电压随电池容量变化的关系。我们可以发现充电 时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。 浙江人学坝士学位论文 4 4 1 。 3 _ 9 0 量3 7 0 蔓3 邡 13 。 8 3 1 0 2 9 0 2 阳 2 5 0 碰 j ，；一 ，( ：- _ 。! ：；一- - l ，：；，一 ，7 二- o” ”姜“器8 e 6 7 0 ”o 图22 低充放电率下，电池电压与容量的关系( 电池终止电压为4 ，l v ) 怕r d l v 。 工 j 当“ 图2 3 电池充放电等效回路 如图2 3 ，我们把电阻等效为r d ，那么充电时的端电压表达式为 = 3 圪d r d l 。， 相应的，放电时端电压表达式为： k j = 3 v o “一r d ，m 。“ 从这两个公式可以看出，在充电和放电时，电池端压所表示的值都不是真正 电池的电动势，而是加上了电池组内阻的影响。 图2 2 中的放电曲线是在很小的放电率( 即放电电流) 情况下测得的。不同 的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电 池电压就越低，如图2 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 d i s c h a 埠ec h a r a c t e r i s t i c so nl o a d 图2 , 4 不同放电率下电池电压与容量的关系( 电池终止电压为42 v ) 锂离子电池的使用环境温度范围比较宽，可以达到2 0 6 0 。c 。但是环境温度 对电池的放电容量有很大影响，如图2 5 所示。采用0 2 c 放电速率，当环境温 度为2 5 时，可放出额定容量；当环境温度为一1 0 时，电池容量下降约5 ， 当环境温度为一2 0 时，电池容量下降约1 0 。电池放电曲线随温度的变化如 图2 5 所示。 d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so nt e m p e r a t u r e d i s c h a r g ec a p a c i t y m a h 图25 温度为参变量的放电曲线( 电池容量为6 5 0 m a h ) ，錾墨罩：md 浙江人学硕十学位论文 充放电电流 锂离子电池对充放电的最大电流都有一定的限制。充电时，一般常用的充电 率为o 2 5 c 1 c ( c 为电池的容量，比如1 5 0 0 m a h 的锂离子电池，l c 的充电率 即为1 5 0 0 m a ) 。在大电流充电时，还应检测电池的温度，以防过热损坏电池或 产生爆炸。 同样的，锂离子电池的最大放电电流一般限制在2 3 c 左右，更大的放电电 流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时， 如前所述，大电流放电还将影响电池能放出的容量( 一部分能量转化成了热能) ， 我们可以从下图中更加清楚的看出这一趋势。 放电信率曲线 嚣 羞 删 饰 cl c2 c 放电倍率 图2 6 电池放电倍率特性曲线 电池寿命 锂离子电池和其他电池一样，也存在使用寿命的问题。在正确使用的前提下， 容量也会随着循环次数慢慢减少。造成这一现象的原因主要有一下两点： 1 负极材料( 石墨) 中的锂逐渐被电解质氧化造成可使用的锂离子数目 减少。 2在循环中，正极材料的老化，降级，使晶状结构慢慢遭到破坏，可容纳 的锂离子数目减少。 下面的图2 7 和图2 8 分别表示了不同循环次数下电池的放电曲线及容量的 浙江人学顺十学位论文6 变化。 d i s c h a r g ep e r f o r m a n c e c y c l e 匿1 0 0 删 髅扛 9 0 8 0 d i s c h a r g ec a p a c i t yi m a h 闰2 7 不同循环次数下的电池放电曲线 1 c 循环特- 陛曲线 01 0 0 2 0 03 0 0 4 0 0 循环周数 图2 8 电池在1 c 的放电率下容量随循环次数的变化 过充，过放及过温现象”1 当加在锂离子电池两端的电压超过4 5 v 时，就会产生过充现象。过充时 ，oo再一o，、|一如。 浙江大学硕十学位论文 负极的石墨嵌入的锂离子完全饱和，锂将在负极沉积下来，形成锂枝晶，使电池 的容量减少；同时电池继续从正极抽出过量的锂离子，造成正极材料的活性降低， 也会对电池的容量造成损害。 过放现象则是电池电压低于放电终止电压后，仍然继续放电，使电池电压继 续降低。过放时，电极产生晶枝，电路迅速短路。虽然此时由于电池已经完全放 电，不会造成安全方面的问题，但是电池也已经遭到了不可恢复的破坏，不能再 继续使用了。 过温时，锂离子电池中的活性物质( l i e 6 ，l i n i 0 2 ) 与电解液可能会发生化学 反应，产生更多的热量。而电解质中存在可燃的有机溶剂成分。在这种情况下， 电池温度将失去控制越来越高，最终导致电池燃烧，甚至爆炸。 塑鋈奎兰望主堂竺堡兰竺 小续 本章分析了锂离子电池和锂聚合物电池的电化学原理和电池特性，以及使用 当中嚣要注意蕊翊题。投擐电逸鲶这些耱点，我们可强透过一个完熬的智能充放 电管理系统来使电池的使用寿命和性能达到最优化。 浙江大学硕十学位论文 第三章锂电池管理系统概述 本章主要介绍了锂电池管理系统的几个主要组成部分，包括锂电池的几种主 要充电方式，电池均衡的几种方法和电池管理及电池异常状态的保护等内容。 主要内容： 主要充电方式 电池均衡 电池管理 浙江人学坝r 学位论文 第一节主要充电方式 充电管理是锂电池( 锂离子和锂聚合物电池) 管理系统的重要组成部分。根 据锂电池的特点，一个锂电池充电器所需要达到的基本功能是提供可限流的充电 电流和不超过电池充电终止电压的最大电压。不同的电池厂商会对自己生产的锂 电池提供不同的充电电压、充电电流指标。我们在设计锂电池充电器时，必须搞 清楚厂商规定的电池充放电参数。 目前主要存在三种充电方式1 ：线性充电方式、开关充电方式和脉冲充电 方式。其中，线性充电和开关充电采用的都是恒流恒压的充电策略，而脉冲充电 则采用脉冲电流充电的模式。 下面我们详细介绍一下这三种主要充电方式。 一、 线性充电方式 线性充电方式是三种充电方式中，复杂度最小、成本最低的方案。一般的锂 电池线性充电器包括一个传输电能的晶体管( 通常是m o s f e t 或者二极管) 、输 入输出电容和一些设定电压电流限制值的电阻。在这里，晶体管的任务不但是提 供充电回路，而且需要把从交流适配器输入的电压降到实时的电池端压大小，以 实现对电池的充电。 i n p u t v o l t a g e 图3 1 典型的线性充电器电路原理图 c h a r g i n g c t t r r e n t 浙江大学项十学位论文 图31 为一个典型的线性充电器电路原理图。电路使用了m a x l 8 9 8 和一个 外接的p 沟道m o s f e t 来将交流适配器输入电压降至电池端压。由于不需要l c 输出滤波电路，这种形式的充电器要比开关模式简单的多。 线性充电方式最大的缺点，就是功率损耗较大。由于交流适配器输入电压与 电池电压之间的差值完全由晶体管来承受。晶体管的功耗就是这个差值与充电电 流的乘积。在一个充电电流为1 a 的电路中，如果交流适配器的输入电压为5 v 1 0 ，电池电压变化范围为2 5 v 4 2 v ，那么晶体管上的功耗将在0 3 w 3 w 的范围内变化。电池端压最小，即输入电压与电池端压之差最大的时候，也就是 晶体管功耗最大的时候。一般的线性充电芯片在电池端压过小的时候，会提供一 个预充电的模式。预充电时，充电器的充电电流很小，一般为恒流充电值的1 0 左右，以使电池端压逐渐恢复。同时这一措施也减小了晶体管上可能的最大功 耗。 虽然我们可以减小充电电流来使充电过程当中的晶体管功耗降低，但是电池 的充电时间将会随着充电电流的减小而显著增加。如果充电时间太长不可接受， 那么由此而得到的低功耗也是没有多大意义的。最佳的充电电流大小的选择将是 电路功耗和充电时间折衷考虑的结果。 假设交流适配器输入的最大电压为5 5 v ，预充电的阈值电压为2 3 7 5 v ，那 么最坏情况下，充电器将会达到每安培3 1 2 5 w 的最大损耗率。在较大电流的应 用中，这样大的损耗将会使设备( 往往是手机、p d a 之类的便携设备) 变得很 热，同时将会影响到设备内部电子设备的稳定性，这是我们所不愿意看到的。 虽然线性充电方式有功耗较大的缺点，但是它却仍然是便携设备充电的首选 方式。由于线性方式无需电感元件，内部没有开关动作，因此它的传导和辐射干 扰是三种充电方式中最小的，非常适合对噪声敏感的无线设备的需要。加之它实 现简单，成本低廉，在小功率便携设备的充电方案中仍然具有很大的市场。 二、 开关充电方式 线性充电方式由于高损耗的缺点，不适用在一些效率要求高的场合。特别的， 在笔记本电脑等大功率便携设备内，由于空间十分有限，电路的散热条件就相对 比较恶劣。如果充电电路的效率过低，损耗太大，那么设备内大量的热量无法及 浙江大学坝卜学位论文 b , i 敞去，电池乃至整个设备的安全性就得不到应有的保障。在这种情况下，我们 就需要采用高效率的开关充电方式。 图3 2 是一个典型的开关充电方式的电路原理图。图中的充电器使用了 m a x l 7 3 7 和两个n 沟道的m o s f e t 再加上一个电感元件来构成一个类似同步 b u c k 降压变换器的电路。该电路可以将交流适配器的输入电压降至电池端压。 由于开关充电方式的高效率，电路在很宽的交流适配器输入电压范围和整个电池 端压范围内都能够保持大约1 w 的损耗。因此，采用开关充电方式的充电器可以 很容易的在大功率场合使用。例如，图3 2 的开关充电电路可以对多达4 节串联 锂电池进行充电，最大充电电流可以达到4 a 。 开关充电方式相对于线性充电方式最大的优点，就是它能够在宽输入电压范 围和任意电池端压范围内保持一个很低的损耗。虽然这个优点需要用额外的成本 和电路复杂度来换取，但是在某些应用场合，充电电路开关化可能是目前唯一符 合要求的选择。 开关充电方式的缺点除了较大的电路体积和较高的电路复杂度外，还有电路 的干扰问题。由于引入了高频开关和电感元件，电路的e m i 和高频噪声以及电 感电磁辐射等开关电源的缺点也一并被引入了开关充电方式的充电器中。虽然提 高电路的开关频率可以有效控制电路产生的音频噪声，但是我们还是需要在电路 布线和元件选择过程中格外注意可能产生的干扰问题。 罩善干 图32 典型的开关充电器电路原理图 浙江大学硕士学位论文 。；，一一一一一一一一j，171ji、f1、j、j。1、。f。l 甜 图3 3 脉冲充电方式的充屯策略 脉冲充电方式融合了前述线性充电和开关充电两种方式的一些优点。由于脉 冲充电方式中，晶体管不是工作在线性区，而是以开关状态工作，因此脉冲充电 妒 i才叫聂 浙江人学坝一l 学位论文2 4 方式其舂秘歼关充电方式一样麓秘效率。躲静充电方式与线性竞电方式谨，不 需要额外的l c 输出滤波电路，因此不存在开关充电方式的干扰问题，并且电路 体积也可以做到和线性充电方式一样小。 但是，脉冲充电方式也存在缺点：它需要一个肖限流功能的电源，这增加了 曩交洚充电方式豹成本。恧虽辣挣态电方式的裹效率实豁上是逶遂把损疑转移裂蔽 流电源内束实现的，对整个系统来说，效率荠不离。 采用脉冲充电方式的主要原豳，是因为脉冲充电河以显著的减少充电时间， 实现所谓的“快速充电”。 出于弥冲充电策略的第一阶段与恒流恒压充电繁暗相同，都是恒溅充电阶 段，霹魏邃输羧嚣霜熬充毫露润楚完全籀霜豹。不潮酌裁是在接下来瓣充电狳 段中，使用脉冲电流充电可以眈恒压充电使用更少的时间。从而减少总c l 勺充电时 间。 文献f 1 3 】使用m a xd s 2 7 7 0 实现了线性充电方戏粒脉冲充电方式的比较。实 验缝暴翅圈3 4 3 6 疑示。 c h a r g f n gt e m p e r a t u r e ( c l 剧3 , 4 不同温度f ，线性充电与脉冲充电所霈充电时间的比较 浙江大学硕士学位论文 1 0 0o o 9 7s 0 9 50 0 0 25 0 9 00 0 8 75 。 8 50 0 c h a r g i n gt e r n p e r a t u r e c ) 图3 5 不同温度下线性充电与脉冲充电满充容量的比较 n 露 oi o o2 0 03 0 04 0 0 c h a r g e 7 d i s c h a r g ec y c l e s 图3 6 线性充电与脉冲充电电池老化情况 从上面的实验数据可以看出，在低温情况下，线性充电方式所使用的时间比 脉冲方式多出3 7 ，在4 0 。c 情况下多出1 4 o ，而两种充电方式所充入的电量不 =口0鼍，mz暑蛋珏肄一m-芷_，#一n再口越u m 一直m * 分伯钟。实验结暴矬示，在充电效巢基本一致豹情况下，爆脉、冲充电方式的充 电时间要比采用线性充电方式短得多。也就是脉冲充电方式确实能起到“快速充 毫”豹作麓，嚣充奄鼓暴不打援糍。 在以往人们的印象当中，“快速充电”会缩短电池的寿命。而图3 6 的结果 蠢示，在常温2 5 4 c 下循环5 0 0 次篷，采鞠恒流毽压充电繁旗线毪宠亳静惫遴可 用容量反而要比采用脉冲竞电方式的电池少4 6 ，从而诞明“脉冲充电影响电 池使用寿命”这一说法是不正确的。 上面介绍的三种充电方式各有各的优缺点，具体采用哪种方式应该由典体的 充邀场会秘占主譬遗整豹充电嚣瓠瘫决定。铡如，在成本麓一豹竣诗中，我铟可 能会觉得线性充电方式比较适合我们的要求；但是当我们对充电效率或者汽电时 闯有较赢豹需求辩，裁应警考虑掰拜关兖壤方式或者辣稳瓷电方式寐实魂我稻豹 目标。因此，三种主要充电方式无所谓最好与最麓，而是精采用哪一种方式最能 够符台我们最关心的指标。 浙江大学硕士学位论文 第二节电池均衡 在各种类型的电池应用中，电池串联是一种非常普遍的应用方法。为了得到 较高的电压，或者在控制电池工作电流大小的前提下为了得到较大的功率，人们 就将电池串联起来以满足使用要求。如今，串联的电池供电系统已经应用在很多 领域，例如通讯电源、电动车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、不间断电源( u p s ) 和光电系 统( p h o t o v o l t a i cs y s t e m ) 中。电池串联应用所带来最大问题就是电池单元之间的 均衡问题， 为什么要均衡? 在串联的电池系统中，不论是充电还是放电，电池单元的工作电流都是相同 的。但是由于电池个体之间内部特性差异、工作温度和循环使用次数的不同，表 现出来的电池行为也会有所区别。一般来说，电池行为出现差异的主要原因有两 种：内部阻抗的改变、由于电池老化而造成的容量减少。不管是由于哪种原因， 出现行为差异的电池在电池组充电的过程中，发生过充现象的可能性是最大的。 容量减小或者内部阻抗变大的电池在充放电过程中，电压变化会比正常的电池更 明显。放电时，它的电压下降比谁都快；而充电时，电压上升也是最快的。 比如，对串联电池进行恒流恒压充电时，特性差的电池其端压上升会比正常 的电池快，其端压有可能在整个串联电池组的总端压到达恒压充电值之前就已经 超过单节电池的充电终止电压，因此有发生过压的可能。由于有电池过压，那么 串联电池组的总端压会提前到达恒压充电值而使电池组转入恒压充电阶段，而此 时正常电池有可能在端压还未到达恒压充电值时就已经转入恒压充电状态。另一 方面，恒压充电阶段电池组的充电电流将在特性差的电池的影响下下降速率加 快，使正常电池在能量充满之前提前结束整个充电过程。在上述两个因素的作用 下川f 常电池所能够充入的能量就会相应减少。同样的，如果放电过程中出现一 节特性差的电池，那么这节电池的端压就会提前下降到放电终止电压而使整个串 联电池组的放电过程结束。而此时正常电池有可能仍未到达充电终止电压，所以 整个串联电池组的可放出能量就会减少。由上面的分析可见，如果串联电池组中 存在一节特性变差的电池，那么整个电池组的行为特性就会受到此电池的限制， 浙江人学硕士学位论文 造成“充电不充满，放电不彻底”的情况，降低了电池组的容量利用率。 根据上面的分析，为了使串联电池组能够达到最大的容量利用率，同时尽量 减少电池过压损坏的可能性，延长电池组的使用寿命，我们必须对串联电池组中 的电池单元进行容量均衡。 均衡的手段 为了解决电池的均衡问题，人们提出了很多不同的方法“3 6 1 “3 8 1 “4 ”。 但是由于锂电池不可过充，因此通过提高电压来使每个电池单元最终达到满充状 态的均衡方法不适用于锂电池系统。目前锂电池可以使用的均衡方法主要有一下 几种。 一、 能量消耗型的电池均衡 电池均衡的原则是将串联电池组中的各个电池单元保持在一个均衡的状态， 而目前主要以电池单元的端电压是否均衡( 相同) 来作为整个电池组均衡度的判 断依据。能量消耗型均衡电路的基本思路就是将多余的能量从电压最高的电池单 元中通过电阻消耗掉。图3 7 为一种通过对每一电池单元并联旁路分流电阻来实 现电池均衡的简单均衡方法“4 1 1 3 8 1 。当系统检测到出现不均衡的状态时，分流旁 路上的开关就闭合，将分流电阻接入电路中。流过分流电阻的电流大小与电池单 元的端电压是成比例的，所以随着电池端压的升高，流入分流电阻的电流也增大。 这样，端电压越高的电池就越容易被分流电阻所放电，使整个串联电池组内的电 t t 图3 7 分流电阻均衡( 方法# 1 ) 浙江大学硕j 二学位论史 池单元端压趋向一致。当电池趋向于均衡时，系统将开关断开，阻止分流电阻对 电池的进一步放电。由于流入分流电阻的能量变成了热量损耗，所以这种均衡电 路的效率很低。但是其简单性却是其他的均衡电路所不能比拟的。消耗型均衡电 路适用于使用小电流充放电的小功率系统中。 二、 非损耗型电池均衡 在功率较大或者充放电电流较大的系统中，使用损耗型的均衡方法显然是不 恰当的。我们必须使用非损耗型的均衡方法来实现电池均衡。 1 使用均衡变流器的电池均衡 大电流下的电池均衡可以通过在每个电池单元两端使用隔离的d c d c 变流 器来实现。图3 8 所示的就是一个使用反激变流器实现的均衡电路1 3 8 1 0 当其 由 t 1 一i 上 一 7 ： 一澈l l = 孕中 图3 8 使用隔离反激式变流器的均衡方法( 方法# 2 ) 任何。个电池单体的端压超过预设值时， 反激变换器回馈到对电池充电的电源中， 系统驱动m o s f e t 把多余的能量通过 从而保持了电池单元端压的稳定，使串 浙江人学硕i j 学位论文 联电池组中的各个电池单元保持均衡。图中每个反激变换器使用的隔离变压器其 占窄比a 为： a n ： n 为串联电池单元的数目。均衡电路中的反激拓扑也可以使用正激拓扑来替换。 图3 8 所示的均衡方法# 2 只能实现能量从电池单元单向的传到输入电源端， 而通过使用如图3 9 所示的结构，均衡电路既可以从电池单元向电源传输能量， 电源单元( 或者整个串联电池组) 也可以向电池单元传输能量，实现了能量的双 向流动1 4 0 1 。这样，在充电时，均衡电路可以把能量较高电池的多余能量转入电 源端；而放电时，电源端( 或者整个串联电池组) 也可以将能量传给最弱的电池 单元，提高电池单体之间的电压一致性，从而增加串联电池组的容量利用率。 1 r弄 p = 甄 - ： 两一 图3 9 使用双向的隔离反激式变流器的均衡方法( 方法# 3 ) 2 使用集中式均衡变流器的电池均衡 在图3 8 和图3 9 所示的两种均衡方法中，每个电池单元都有一个独立的 d c d c 变流器，使开关和其他电路元件的数量很多。为了减少开关和电路元件 浙江大学顺士学位论文 的使用数目，可以使用具有多绕组变压器的d c d c 变流器 4 0 1 , 如图3 1 0 所示。 图3 1 0 使用集中式反激变流器的均衡方法( 方法# 4 ) 多绕组变压器的原边接在充电电源( 串联电池组) 端，而副边则分别与电池单元 相连接，副边的数量与所使用的电池单元的数量相同。在这个均衡电路中，电源 端( 或者整个串联电池组) 的能量可以传到能量最弱的电池当中，保持电池之间 的均衡度。如果系统检测到有弱电池的存在，那么均衡电路开始动作。首先电路 原边的开关闭合，能量存储到变压器的激磁电感中，当开关关断后，这些能量又 传入电压较低的电池单元中。理想情况下，激磁电感中存储的能量将会自动分配， 大部分能量将传入能量最低的电池单元中。 使用多绕组变压器的另一个例子就是图3 1 1 所示的双管正激变流器“”。当 系统检测到出现弱能量的电池单元时，均衡电路就开始工作，将电源( 串联电池 组) 端的能量传入相应的电池单元中。电池单元的电压由电路的占空比控制。 浙江人学坝i ：学位论文 图31 1 使用集中式双管正激变流器的均衡方法( 方法# 5 ) 采用集中式均衡变流器虽然比每个电池单元都使用均衡变流器开关数目少， 控制简单，但是由于变压器的副边绕组很多，所以当电池数目较多时，变压器的 制作成本会很高，制造复杂。为了降低副边绕组的数量，我们可以使用半桥式的 d c d c 变流器来作为均衡电路，如图3 1 2 所示 3 8 1 0 由于变压器副边的电流可以 双向流动，因此同样数量的电池单元可以少用一半的副边绕组。在半桥均衡电路 起作用时，前半周期副边的电流通过二极管d 1 流入电池一，后半周期电流通过 二极管d 2 流入电池二。 图3 1 2 使用集中式半桥均衡器的均衡方法( 方法# 6 ) 3 使用无损型电流分流电路的电池均衡 无损型电流分流电路能够将充电电流从已经充满的电池单元中分流至下一 电池单元处，即将充满的电池单元从充电回路中分离出去。这样就能使余下的电 池继续充电达到满充而已经满充的电池不会发生过充。图3 1 3 是一种无损型电 流分流均衡电路的原理图n 蚰。每个电池单元的两端都接着分流模块，每个分流 模块由一个可控开关( m o s f e t ) q ，一个续流二极管d 和一个续流电感l