雷晶晶，李秋紅，陳立寶，張金頂，王太宏

（湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理與微電子科學(xué)學(xué)院微納技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙410082）

摘要：鋰離子電池是發(fā)展電動(dòng)汽車的最具潛力的能源載體之一，從鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車的研究現(xiàn)狀出發(fā)，闡述了鋰離子電池管理系統(tǒng)對(duì)于鋰離子電池組的重要性以及研究的必要性。介紹了動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括電池組外部參數(shù)的在線檢測(cè)、SOC估計(jì)以及電池組的均衡，并對(duì)動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向做出了展望。

受到能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)等因素影響，純電動(dòng)汽車做為一種新興的交通工具，由于其能源利用率高、無(wú)排放、噪聲小以及能量來(lái)源多樣化等優(yōu)點(diǎn)成為汽車工業(yè)一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車存在續(xù)航里程有限、蓄電池使用壽命太短以及蓄電池尺寸和質(zhì)量的制約等缺點(diǎn)，而鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、質(zhì)量輕、自放電小等特點(diǎn)，可以很好地解決以上問(wèn)題，所以基于鋰離子電池的電動(dòng)汽車受到越來(lái)越多人們的關(guān)注，鋰離子電池已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車的候選能源之一。目前，包括本田、豐田、通用等世界主要的汽車制造商都有在2010年推出鋰離子電動(dòng)汽車的計(jì)劃，國(guó)內(nèi)的比亞迪、吉利、奇瑞也都有類似的計(jì)劃。

純電動(dòng)汽車的電壓要求一般在100V以上，為了達(dá)到這個(gè)工作電壓，必須把幾十個(gè)乃至上百個(gè)單體電池串并在一起，比如文獻(xiàn)[5]所報(bào)道的萬(wàn)向電動(dòng)汽車，使用了84只鋰離子電池單體串聯(lián)。電動(dòng)自行車一般要求電壓在48V左右，所以用于電動(dòng)自行車的鋰離子電池組一般由12～13個(gè)單體電池組成。

由于鋰離子電池的生產(chǎn)工藝限制，鋰離子電池單體之間存在容量、電壓、內(nèi)阻等等的不一致，即使在同一批電池中也會(huì)存在差異。另外，即使是電池組在出廠的時(shí)候一致性比較好，在以后的使用過(guò)程中，這種不一致會(huì)隨著電池組的循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

鋰離子電池組中，單體不一致會(huì)造成電池組無(wú)法發(fā)揮最大容量，而且會(huì)極大地縮短電池組的使用壽命。另外，由于鋰離子電池的特殊性，在使用中如果發(fā)生過(guò)充、過(guò)放及過(guò)流等，會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損壞，甚至造成安全事故。所以，在鋰離子電池組用于電動(dòng)汽車之前，首先要解決的問(wèn)題之一就是對(duì)電池組的管理。

1動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

早期的鋰離子電池管理系統(tǒng)一般只具有監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度、電流以及保護(hù)等簡(jiǎn)單功能，隨著鋰電池越來(lái)越多地應(yīng)用于大功率設(shè)備，如電動(dòng)汽車，對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能也越來(lái)越強(qiáng)。一般認(rèn)為，鋰離子電池組管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾個(gè)功能：電池組外部參數(shù)的檢測(cè)、電池狀況判斷和剩余電量的估計(jì)、電池組的充放電控制、電池電量均衡、提供與外部設(shè)備通信的功能。目前電池外部參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)己趨于成熟，現(xiàn)在鋰離子電池管理系統(tǒng)研究的重點(diǎn)是電池剩余電量估計(jì)和電池組的均衡。

1.1電池外部參數(shù)的檢測(cè)

電池外部參數(shù)的檢測(cè)主要包括電池組中單體電池電壓、工作電流和電池溫度的檢測(cè)。通過(guò)這些參數(shù)可以判斷電池的工作狀態(tài)。

1.1.1電壓的檢測(cè)

在所有的電池參數(shù)中，鋰離子電池的電壓最能體現(xiàn)電池的狀況。鋰離子電池過(guò)充過(guò)放的依據(jù)即是鋰離子電池的端電壓，也可以通過(guò)測(cè)量端電壓初步估計(jì)鋰離子電池的SOC。所以對(duì)鋰離子電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是非常重要的。鋰離子電池組的檢測(cè)方法主要有四種。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是用繼電器和電容做隔離處理。

其測(cè)試原理是：首先通過(guò)電容對(duì)電池電壓進(jìn)行取樣，再通過(guò)檢測(cè)電容的電壓就可以得到電池的電壓。第二種方法是浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量電池端電壓，測(cè)量時(shí)窗口比較器自動(dòng)判斷當(dāng)前地電位是否合適，如果正好，啟動(dòng)A/D進(jìn)行測(cè)量，如果太高或太低，則通過(guò)控制器經(jīng)D/A對(duì)地，對(duì)電位進(jìn)行浮動(dòng)控制。第三種方法是共模檢測(cè)法，共模測(cè)量是相對(duì)同一參考點(diǎn)，利用精密電阻等比例衰減測(cè)量各點(diǎn)電壓，然后依次相減得到各節(jié)電池電壓。第四種方法是差模檢測(cè)法，采用運(yùn)算放大器消除電池兩端的共模電壓，完成對(duì)電池電壓的采樣。

第一種測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)精度低，且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量由于地電位經(jīng)常受現(xiàn)場(chǎng)干擾發(fā)生變化，不能對(duì)地電位進(jìn)行精確控制，因此會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。共模測(cè)量法電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度低，只適合于串聯(lián)電池?cái)?shù)較少或者對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。差模測(cè)量法精度比其他三種方法都好，如圖1所示的差模檢測(cè)電路，適用于12節(jié)以下的串聯(lián)電池組。在電池組單體電池?cái)?shù)量比較多的情況下，一般是以12節(jié)為一個(gè)電壓檢測(cè)模塊，再通過(guò)總線把所有模塊連接在一起。差模檢測(cè)電路中，由于電壓測(cè)量電路漏電流的影響，會(huì)造成電池組靠近負(fù)極的電池的電量消耗過(guò)多，導(dǎo)致電池組的不一致。

解決辦法：一是提高檢測(cè)電路的輸入阻抗；二是在檢測(cè)回路中加入控制開關(guān)；三是在電池組合的過(guò)程中，可使靠近電池組負(fù)極的電池容量稍大于靠近正極的電池容量，這樣有利于減少因電壓檢測(cè)電路所引起的電池組的不一致。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，還有一種方法是對(duì)每個(gè)電池配置一個(gè)帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，或者電壓檢測(cè)芯片，這些單片機(jī)或者專用芯片由主控單片機(jī)統(tǒng)一控制，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)再通過(guò)一個(gè)光耦隔離傳遞給主控單片機(jī)。目前也有一些芯片廠商推出一些專用于鋰離子電池組電壓檢測(cè)的芯片，如Linear公司推出的LTC6802，可以對(duì)4～12節(jié)的鋰離子電池組進(jìn)行電壓檢測(cè)，大大降低了電壓檢測(cè)的復(fù)雜度。

1.1.2電流和溫度的檢測(cè)

電池組的工作電流和溫度也是電池組一個(gè)重要的參數(shù)，可以通過(guò)電流判斷其是否出現(xiàn)過(guò)放和過(guò)流，還可以通過(guò)計(jì)算電流與時(shí)間的積分，估計(jì)電池的SOC等。而檢測(cè)電池組的溫度主要為了防止電池組溫度過(guò)高，防止發(fā)生安全事故，檢測(cè)溫度一般是在電池組中加入多個(gè)溫度傳感器，檢測(cè)電池組中各個(gè)點(diǎn)的溫度。由于動(dòng)力鋰離子電池組的電流往往比較大，電流的檢測(cè)一般采用霍爾電流傳感器。

1.2 SOC檢測(cè)

SOC（StateofCharge）的定義為電池組的荷電狀態(tài)，也可以通俗理解為剩余電量。隨著鋰離子電池組在電動(dòng)汽車中越來(lái)越多的應(yīng)用，電池組的SOC檢測(cè)對(duì)于電動(dòng)汽車的運(yùn)行極其重要，SOC決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。由于電池組的特殊性，電池組的SOC受諸多因素影響，包括工作電流、溫度、自放電以及電池組的循環(huán)次數(shù)等，所以檢測(cè)比較困難。

1.2.1 SOC檢測(cè)的現(xiàn)狀

SOC的檢測(cè)方法目前應(yīng)用較多的有開路電壓法、庫(kù)侖計(jì)量法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法等等。開路電壓法是目前最簡(jiǎn)單的方法，根據(jù)電池的特性得知，開路電壓和電池的容量存在一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)弥姵氐拈_路電壓，就可以初步估算電池的SOC。這種方法在充電初期和末期效果比較好，缺點(diǎn)在于精度不高，而且只適用于靜態(tài)檢測(cè)，不適合在線檢測(cè)。

內(nèi)阻法和開路電壓法一樣，也是利用電池內(nèi)阻和電池的電量存在的一定的函數(shù)關(guān)系來(lái)判定電池的SOC，一般用于鉛酸電池和氫鎳電池。鋰離子電池組內(nèi)阻的在線測(cè)量包括了接觸電阻以及單體電池的輪換選擇，因此內(nèi)阻測(cè)量誤差較大，而由于鋰離子的整個(gè)循環(huán)過(guò)程中內(nèi)阻變化不大，所以靠?jī)?nèi)阻來(lái)判斷鋰離子電池組的SOC準(zhǔn)確性也比較差。

庫(kù)侖計(jì)量法是通過(guò)計(jì)算電池組電流與時(shí)間的積分，計(jì)算鋰離子電池組充入和放出的電量，再與電池的額定電量比較即可得知電池組的SOC。此方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、精度也相對(duì)比較好。但這種方法是建立在對(duì)電流精確測(cè)量的基礎(chǔ)上的，電流測(cè)量的誤差直接影響SOC的計(jì)算，而且會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差[18]。另外，受鋰離子電池在低溫下和大電流下的放電效率下降及自放電等影響，進(jìn)一步降低了SOC的檢測(cè)精度。所以庫(kù)侖計(jì)量法的關(guān)鍵在于后期的校正。

1.2.2 SOC檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

在目前的應(yīng)用中，對(duì)SOC精度要求比較低的管理系統(tǒng)一般可以采用簡(jiǎn)單的開路電壓法，而對(duì)SOC精度要求比較高的系統(tǒng)，比較好的選擇是庫(kù)侖計(jì)量法。庫(kù)侖計(jì)量法的關(guān)鍵是后期的校正，目前常用的方法是采用電壓校正，與開路電壓法相結(jié)合，檢測(cè)精度有所提高。目前研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者卡爾曼濾波法等，考慮一些電池組循環(huán)變化、電池老化、溫度等影響，SOC的檢測(cè)精度會(huì)進(jìn)一步提高。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卡爾曼濾波法的算法復(fù)雜，目前還未得到具體的應(yīng)用。

目前實(shí)現(xiàn)電池SOC的芯片很多，比如TI的BQ27Zxxx系列、BQ2060，MAXIM的DS2786、DS2781/2788等。除了TI的BQ27Zxxx是采用阻抗跟蹤法之外，其他都是采用的庫(kù)侖計(jì)量法。不過(guò)這些芯片一般都是用于筆記本電腦等精密便攜式產(chǎn)品當(dāng)中，在動(dòng)力鋰離子電池組的SOC檢測(cè)方面還未出現(xiàn)類似的專用芯片。

1.3電池組的均衡

電池組中各個(gè)單體電池之間存在電壓、內(nèi)阻和容量等的差異，而且電池組經(jīng)多次循環(huán)之后這差異會(huì)更加明顯。造成這種差異主要原因有：（1）鋰離子電池制作工藝限制，即使同一批次的電池也會(huì)出現(xiàn)不一致；（2）電池組中單體電池的自放電率不一致；（3）電池組使用過(guò)程中，溫度、放電效率、保護(hù)電路對(duì)電池組的影響。

可以通過(guò)工藝的方法，降低電池間的差異，消除這種差異，也可以在遴選電池的時(shí)候選擇一致性比較好的電池，把一致性好的電池配組在一起，使組合后的電池組平均放電容量達(dá)到單體電池最小平均放電容量值。除了這兩種方法還可以使用均衡電路使電池組的電池保護(hù)一致。電池組的均衡一般是以電壓均衡為目標(biāo)，輔之以電量的均衡。

1.3.1電池組均衡的現(xiàn)狀

目前鋰離子電池均衡管理的方法可以分為耗能型和非耗能型。耗能型是將電池組中電壓高于平均電壓的電池釋放一部分能量，使其電壓接近平均值。而非耗能型是在單體電池之間或者單體電池與整個(gè)電池組之間進(jìn)行能量交換或者能量轉(zhuǎn)移。

耗能型是通過(guò)在單體電池并聯(lián)一個(gè)功率電阻和一個(gè)開關(guān)進(jìn)行分流，將電池組中電壓高的單體電池多余的能量釋放，達(dá)到電池組電壓均衡，如圖2所示。這種均衡方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是存在能量的浪費(fèi)、均衡時(shí)間長(zhǎng)和散熱的問(wèn)題，一般只用于充電狀態(tài)下的均衡。

由于其簡(jiǎn)單可靠，所以目前鋰離子電池組使用最多的就是這種均衡方法。

由于耗能型均衡在能量利用方面的缺陷，又發(fā)展了非耗能型的均衡方法。非耗能型均衡方式一般是使用儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移能量使電池組電壓保持一致，這種方式均衡電流大、均衡效率高，但是電路、控制都比較復(fù)雜。可分為能量轉(zhuǎn)換均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡兩種。

能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過(guò)反激轉(zhuǎn)換器由鋰離子電池組整體向單體電池進(jìn)行補(bǔ)充或者由單體電池向電池組進(jìn)行補(bǔ)充。由此能量轉(zhuǎn)換均衡方式可分為兩種，可以分為上限均衡和下限均衡。所謂上限均衡就是當(dāng)電池組中某個(gè)電池的電壓高于平均電壓時(shí)，通過(guò)變壓器把這個(gè)電池多余的能量反饋到整個(gè)電池組上去。而下限均衡是當(dāng)某個(gè)電池的電壓低于平均電壓時(shí)，通過(guò)變壓器把能量從電池組轉(zhuǎn)換到指定的電池上去。由于同軸線圈存在一定的能量損失，造成均衡效率降低，同時(shí)也造成均衡電路體積大，線圈繞組較難控制。

能量轉(zhuǎn)移式均衡是通過(guò)使用儲(chǔ)能元件把能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池。這種方式可以使用開關(guān)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，由電容傳遞相鄰電池的能量，將電荷從電壓高的電池傳到電壓低的電池，達(dá)到均衡。這種方法的缺點(diǎn)在于控制復(fù)雜，無(wú)法用于數(shù)量多的電池組，由于電池組中兩個(gè)電池的壓差比較小，造成電容充放電的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而造成均衡的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這種方法也稱為飛渡電容法。能量轉(zhuǎn)移式也可以使用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，由電感及開關(guān)器件組成DCDC變換器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電池間電量的轉(zhuǎn)移，如圖3所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于電量轉(zhuǎn)移效率高，通常能達(dá)到80%以上，且均衡的時(shí)間短；其缺點(diǎn)在于只能在相鄰兩電池之間進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，對(duì)于非相鄰的電池需要進(jìn)行多次電量轉(zhuǎn)移，在兩電池相距較遠(yuǎn)的時(shí)候，電量轉(zhuǎn)移效率下降較快，所以這種均衡方法需要一個(gè)比較好的算法，協(xié)調(diào)整個(gè)電池組的均衡，避免對(duì)兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的電池進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移。

還有一種基于總線的均衡方式，均衡單元把電壓高的電池多余的能量通過(guò)DCAC變換，再通過(guò)變壓器耦合，傳遞到總線上，然后再通過(guò)ACDC模塊把電量充入電壓低的電池，這種方式傳遞的效率較高，易于模塊化，適合串聯(lián)數(shù)量比較大的電池組，但是成本比較高。

1.3.2電池組均衡的發(fā)展趨勢(shì)

在均衡方法上，由于耗能式均衡存在能量浪費(fèi)問(wèn)題，不符合節(jié)能減排的政策，所以在動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用上，耗能式均衡未來(lái)將會(huì)被非耗能式均衡所取代。但是非耗能式均衡也存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，均衡等問(wèn)題，這也是亟待解決的問(wèn)題。用于動(dòng)力鋰離子電池組的均衡方法，應(yīng)朝大電流、高效率方向發(fā)展，在均衡的控制策略上，應(yīng)該采取智能化均衡算法，把電壓的均衡和容量的均衡結(jié)合起來(lái)，使均衡更加精確。

2動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）高度集成化，隨著鋰離子電池越來(lái)越多地應(yīng)用于功率設(shè)備，對(duì)串聯(lián)的電池?cái)?shù)量要求越來(lái)越高，串聯(lián)電池?cái)?shù)量的增加會(huì)增加電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高管理系統(tǒng)的集成度可以降低電路的體積、功耗、成本等。目前有很多芯片廠商也推出了一些鋰離子管理芯片，比如比亞迪微電子的BM309/310,可以對(duì)四串鋰離子電池進(jìn)行管理，也可以級(jí)聯(lián)對(duì)數(shù)量更多的電池組進(jìn)行管理。還有凹凸科技OZ890，可以提供對(duì)13串電池的管理，也可以級(jí)聯(lián)。這些芯片都大大降低了鋰離子電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度。

（2）均衡方式向非耗能式均衡變化，減少均衡時(shí)間，提高均衡效率，采取更加智能的均衡策略，使均衡更加精確。

（3）采用分布式模塊化設(shè)計(jì)，可以級(jí)聯(lián)，方便擴(kuò)展，方便構(gòu)成大型的鋰離子電池組。

（4）在大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，與系統(tǒng)其他設(shè)備緊密結(jié)合（如充電設(shè)備、電機(jī)控制設(shè)備）相互協(xié)調(diào)。

（5）低功耗，減少管理系統(tǒng)的能量消耗，提高電池組的能量利用率。

（6）電池組過(guò)充過(guò)放保護(hù)應(yīng)考慮內(nèi)阻的因素，而不僅僅考慮單體電池端電壓，使保護(hù)更加精確，充分發(fā)揮電池的容量。

鋰離子電池由于其相對(duì)于其他電池的諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車的能量來(lái)源候選之一。但是由于鋰離子本身的特性，需對(duì)其進(jìn)行安全管理。本文介紹了鋰離子電池管理系統(tǒng)中電池外部參數(shù)檢測(cè)、SOC估計(jì)和電池組的均衡現(xiàn)狀，并介紹了其發(fā)展趨勢(shì)，也對(duì)動(dòng)力鋰離子電池管理系統(tǒng)發(fā)展方向做出了展望。