電池組參數(shù)采集

電池組參數(shù)采集主要包括電池組中單體電池電壓、系統(tǒng)電流、系統(tǒng)溫度的采集，該參數(shù)可用于判定電池的剩余電量、故障保護(hù)等。

鋰離子電池的電壓最能體現(xiàn)電池的性能狀態(tài)，既可以用于過(guò)充、過(guò)放等故障保護(hù)，也可以用于初步估計(jì)鋰離子電池的剩余電量。系統(tǒng)電流可用于判斷是否出現(xiàn)過(guò)放或過(guò)流，還可以通過(guò)對(duì)電流與時(shí)間的積分，估計(jì)電池的剩余電量等。系統(tǒng)溫度主要用于防止電池組溫度過(guò)高，發(fā)生安全事故，并對(duì)剩余容量計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。

 電池管理系統(tǒng)的所有算法及保護(hù)都是以采集到的電池參數(shù)為基礎(chǔ)的，因此必須保證數(shù)據(jù)的精確度。

剩余電量預(yù)測(cè)

剩余電量是反映電池性能的重要參數(shù)，也是主機(jī)進(jìn)行充電、放電的判斷依據(jù)。剩余電量的準(zhǔn)確估算可以保護(hù)電池，防止過(guò)充、過(guò)放的發(fā)生，便于客戶做出合理的時(shí)間安排。當(dāng)前，剩余電量的檢測(cè)方式主要有開路電壓法、庫(kù)侖積分法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法、混合法等。

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，在電池容量與開路電壓之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)弥_路電壓時(shí)，可以初步估算電池的剩余電量。該方法精度不高，且只適用于靜態(tài)檢測(cè)，無(wú)法直接用于真實(shí)應(yīng)用。

內(nèi)阻法利用電池內(nèi)阻和剩余電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)判定系統(tǒng)的剩余電量。由于鋰離子電池組的內(nèi)阻隨工作狀態(tài)變化明顯，不同特性的電芯之間也有差異，該方法的重點(diǎn)是如何能夠快速得到當(dāng)前應(yīng)用條件下電芯的內(nèi)阻。如果可以快速進(jìn)行內(nèi)阻的自我測(cè)量，則可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的剩余容量。

庫(kù)侖積分法是通過(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，從而得出當(dāng)前的剩余電量。該方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，但必須對(duì)電流測(cè)量非常準(zhǔn)確，否則會(huì)出現(xiàn)積累誤差。另外，鋰離子電池的自放電以及在低溫和大電流下其放電效率會(huì)變低，都會(huì)進(jìn)一步降低了剩余電量的檢測(cè)精度。庫(kù)侖積分法必須定期進(jìn)行校正。

卡爾曼濾波法是指采用卡爾曼濾波算法，綜合考慮電池組循環(huán)變化、電池老化、溫度等影響，進(jìn)而得到精準(zhǔn)的剩余電量。該算法相對(duì)而言最精準(zhǔn)，但是算法復(fù)雜，又需要足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，暫未得到具體的應(yīng)用。

混合法是指通過(guò)內(nèi)阻法/開路電壓法與庫(kù)侖積分法相結(jié)合的方式，通過(guò)開路電壓法/內(nèi)阻法的定期校正，使用庫(kù)侖積分法得到精準(zhǔn)的剩余電量。該方法是目前使用最廣泛的方式。

電池組故障保護(hù)

在使用鋰離子電池時(shí)，必須提供電池組故障保護(hù)，過(guò)熱或過(guò)充均可能引起火災(zāi)或爆炸。智能電池管理系統(tǒng)可分為一級(jí)保護(hù)和二級(jí)保護(hù)。

一級(jí)保護(hù)檢測(cè)電池組的電流、電壓和溫度及剩余電量，判斷電池組是否發(fā)生了過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、過(guò)流和短路等不安全狀態(tài)，并適時(shí)關(guān)閉電池組，以避免對(duì)電池組造成損壞。二級(jí)保護(hù)可以在一級(jí)保護(hù)失效的情況下提供后備保護(hù)，熔斷保險(xiǎn)絲，永久關(guān)閉電池組，防止電池在不安全狀況下繼續(xù)充放電。

電芯均衡

由于鋰離子電池的制作工藝限制，以及使用過(guò)程中溫度、放電率等對(duì)電池的影響，電池組中各個(gè)單體電池之間存在電壓、內(nèi)阻和容量等差異，而且電池組經(jīng)過(guò)多次循環(huán)之后差異會(huì)變得更加明顯，導(dǎo)致電池組的使用壽命比單體平均壽命短很多。同時(shí)對(duì)鋰離子電池而言，由于其對(duì)充放電要求很高，當(dāng)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路等情況發(fā)生時(shí)，鋰離子電池內(nèi)熱量大量增加，容易發(fā)生火花、燃燒甚至爆炸。為確保安全性和穩(wěn)定性，必須采取均衡措施。

目前鋰離子電池均衡管理的方法可以分為耗能式和非耗能式。耗能式是將電池組中電壓較高的電池釋放一部分能量，使其與其他電池保持一致；非耗能式是在單體電池之間或單體電池與整個(gè)電池組之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。

耗能式是通過(guò)給單體電池并聯(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。該方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是存在能量浪費(fèi)、均衡時(shí)間長(zhǎng)和散熱等問(wèn)題，一般只用于充電狀態(tài)下的均衡。

非耗能式一般是使用儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移能量使電池組電壓保持一致，該方法均衡電流大、均衡效率高，但是電路復(fù)雜、控制復(fù)雜。一般可分為能量轉(zhuǎn)換式均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡。

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)充或由單體電池向電池組進(jìn)行補(bǔ)充，該轉(zhuǎn)換可以在某電池電壓高于閾值時(shí)將其能量轉(zhuǎn)換到電池組，也可以在某電池電壓低于閾值時(shí)從電池組轉(zhuǎn)換到該電池。

能量轉(zhuǎn)移式是通過(guò)電容或電感把能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池，從而達(dá)到均衡。該方法的缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，無(wú)法用于數(shù)量多的電池組，均衡時(shí)間比較長(zhǎng)。

通信

智能管理系統(tǒng)需對(duì)外提供SMBus通信功能，以方便主機(jī)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并可以根據(jù)主機(jī)需要對(duì)智能電池管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。

智能電池管理發(fā)展技術(shù)趨勢(shì)

目前，智能電池管理技術(shù)仍然存在著一定方面的不足，未來(lái)的改進(jìn)可能主要表現(xiàn)在如下幾 個(gè)方面：

1） 均衡方式待改進(jìn)，均衡方式向非耗能式變化，提高均衡效率

2） 電池容量監(jiān)控不夠準(zhǔn)確，無(wú)法針對(duì)不同電池組做差異化的充放電管理

3） 減少管理系統(tǒng)能耗，提高能量利用率

4） 系統(tǒng)集成度待進(jìn)一步提高，降低系統(tǒng)復(fù)雜度

隨著鋰離子電池應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，對(duì)其管理技術(shù)的要求也愈加提高，相信不斷會(huì)有新的競(jìng) 爭(zhēng)者加入，智能電池管理技術(shù)也會(huì)得到更大發(fā)展。中穎電子智能電池管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介 基于以上對(duì)智能電池管理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，中穎電子股份有限公司推出了專為筆記本電腦電池設(shè)計(jì)的智能電池管理芯片 SH366000 和為智能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用 MCU SH79F329。

SH366000 是中穎電子專為筆記本電池推出的一顆智能電池管理芯片，其通訊協(xié)議兼容 SMBus1.1，符合智能電池指令集 SBData1.1 規(guī)范；適用于 2~4 節(jié)鋰離子及鋰聚合物電池組； 能夠準(zhǔn)確計(jì)算出電池組的滿充容量、剩余容量，以及電池的可運(yùn)行時(shí)間和充電完成所需時(shí)間；提 供電壓、電流、溫度監(jiān)控功能，提供軟硬件保護(hù)；提供電池平衡功能，延長(zhǎng)電池壽命；其 BOM 基本兼容當(dāng)前主流方案。欲了解詳細(xì)的 IC 信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.sinowealth.com.

SH79F329 是中穎電子推出的一顆采用 40V 高壓制程的智能電池管理專用 MCU，已成功 開發(fā)出 2~5 節(jié)電動(dòng)工具方案和 6~16 節(jié)電動(dòng)自行車方案，其能夠準(zhǔn)確計(jì)算電池組剩余電量和剩余 工作時(shí)間；提供電池平衡功能及電壓、電流、溫度保護(hù)功能；提供超低功耗待機(jī)模式。

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