試論新型鋰電池組的PACK 及管理方式

郝 磊，張 陽

（天津力神特種電源科技股份公司，天津 300112）

0 引言

電子產(chǎn)品對電源性能有很高的要求。由于鋰離子電池（即鋰電池）具有放電電壓穩(wěn)定、自放電率低、無記憶效應等優(yōu)點，目前逐漸替代鉛酸蓄電池，成為動力電池主流。但是鋰離子電池對充放電要求較高，充電時電池內部溫度上升，放電時電解材料銅熔化造成內部短路，外部電路板電流過大，電池內部功率消耗增加，引起電解液氧化，鋰離子電池壓力增加，易產(chǎn)生火花爆炸，因此鋰離子電池都加有保護電路。由于電動力設備使用驅動電壓高于單節(jié)鋰電電壓，電動車使用額定電壓為24 V、36 V，使得必須使用多節(jié)鋰電單元串聯(lián)組成電池組，但單節(jié)鋰電池內部特性不同，導致了單節(jié)鋰電充放電不一致。本文介紹智能動力鋰離子電池組管理模塊，以微處理器為功能控制核心，可以有效為電池組單節(jié)鋰電充放電提供平衡保護。

1 電池管理系統(tǒng)概述

新型電子產(chǎn)品要求電源性能改善，要求減少電源體積質量，電源材料環(huán)保無污染，鋰電子正負極材料為嵌鋰化合物，鋰電池自放電率較小，很多電子產(chǎn)品使用鋰電池供電。20 世紀中期人們開始對鋰電池研究，鋰電池發(fā)展經(jīng)歷鋰一次電池與鋰離子電池發(fā)展階段[1]。

由于鋰電池優(yōu)良性能，目前在手機、無線電通信，航天技術等領域廣泛應用。便攜式電子產(chǎn)品要求供電電源具有高密度能量，鋰電池占據(jù)充電電池市場比重不斷提高。鋰電池組在使用中需將各節(jié)電池串聯(lián)，沒有管理系統(tǒng)對電池組進行控制會降低電池組的安全性。鋰電池組于過度充放電導致安全性問題無法解決，使用中缺少對電池組的管理會影響電池組的性能、無法保證其安全性。功能完善的管理系統(tǒng)體積占電池組的1/5，可提高電池組壽命2 倍以上。

電池組充放電中，個體狀態(tài)參數(shù)變化，為了解控制電池組狀態(tài)，管理系統(tǒng)應用中必須結合參數(shù)變化調整控制方案，充分發(fā)揮電池組的性能。電池組循環(huán)后期，管理系統(tǒng)仍采用循環(huán)前期控制方案，則導致后期出現(xiàn)控制錯位，所以電池組使用中管理系統(tǒng)的自適應優(yōu)化至關重要。電池組管理系統(tǒng)分為電量、均衡管理系統(tǒng)，現(xiàn)在電量管理系統(tǒng)只能對電池組電量模糊估算，鋰電池電量可根據(jù)電壓為衡量標準。目前對電池組狀態(tài)管理通常為故障狀態(tài)管理，檢測電池組的使用壽命尚無精確的計算方法。

2 鋰電池智能管理系統(tǒng)簡介

隨著微型電子的發(fā)展，數(shù)字集成電路不斷集成更多功能，設計師希望以獨立設計專用功能芯片，出現(xiàn)了可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）是特殊的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，特殊應用集成電路）芯片，芯片規(guī)模不斷擴大，可實現(xiàn)更多的功能，芯片在出廠前做過測試，設計人員只需通過軟硬件環(huán)境可完成芯片功能設計。用戶可反復編程使用，采用不同軟件實現(xiàn)不同功能。

FPGA 常用的結構是查找表結構，大多數(shù)的FPGA 芯片使用4 輸入的LUT（Look-Up-Table，查找表），用戶需設計邏輯電路時，可將電路通過原理圖表現(xiàn)，邏輯電路結果被FPGA 開發(fā)軟件計算寫入RAM（Random-Access Memory，隨機存儲器）中，輸入信號邏輯運算輸入地址信號查表。LUT 是基于SRAM（Static Random-Access Memory，靜態(tài)隨機存取存儲器）工藝生產(chǎn)，F(xiàn)PGA 芯片在SRAM 工藝基礎上生產(chǎn)，芯片在存儲上次設計信息后發(fā)生掉電會導致內部信息丟失，為FPGA 芯片加專用配置芯片，可將設計信息寫入配置芯片，將設計信息重新寫入FPGA中，不會影響系統(tǒng)正常工作。

鋰電池組能源管理模塊設計源于筆記本電腦的電池電源管理方案，這種電源管理模式能提供電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，使人們在使用電池供電時不會因為掉電而影響工作，可以合理科學地使用電池，有效延長電池使用壽命。電動力設備上動力鋰離子電池組能源就具有上述功能。智能能源管理模塊由管理功能、通信功能組成。

3 鋰電池智能管理模塊方案設計

3.1 充電方案設計

普通充電法按預充、定壓階段進行，由于智能能源管理模塊控制充電電源外置，可以與外接充電器形成閉環(huán)控制電路，將充電開關管選擇為線性調節(jié)方式，但是模式功率消耗引起發(fā)熱量大。為了達到兼容目的，智能能源管理模塊預充采用間歇式充電法。

鋰電池組充電時，需匹配恒壓限流型電源適配器。按預充與恒壓充電進行自動充電[2]。初始化階段是充電過程的重要環(huán)節(jié)，智能能源管理模塊進行自檢，檢測充電條件包括外接充電器電源極性是否正確，溫度是否過熱或過冷，鋰電池端電壓是否高于充電檢測電壓。預充電目的是防止電池過度放電，必須使鋰電池端電壓上升到允許充電壓以上。

預充原理是通過電源適配器向電流施加小充電電流，使得電池固定時間內達到最低允許充電電壓值。模塊的預充是通過預充開關管向電池預充。MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）通過程序控制放電開關管S3 導通，開始時采用較短的導通時間向電池預充，S1 截止期間檢測單元電池電壓，直至電壓上升到鋰離子電池允許最低充電電壓，長時間預充電池端電壓不能達到最低允許電壓，說明電池損壞。

3.2 平衡電路方案設計

單節(jié)電池配組使用特性不同，會導致組內單體電池過充情況不同，內部單體電池串聯(lián)使用易發(fā)生過充現(xiàn)象，任意電池特性加劇惡化導致其他電池發(fā)生連鎖性損壞，電池質量差會引起惡化聯(lián)鎖反應。

目前通用的做法是將單體電池精選配對，減小單體電池差異，由于我國鋰電池生產(chǎn)單位多等因素，使得電池組配組技術不完善。電池組使用中會產(chǎn)生特性變化，目前對電池組使用特性變化導致的特性衰減現(xiàn)象尚無有效解決方法，只能在電池組充放電中檢測電池狀態(tài)，保護電路將充放電電路關斷。使用中解決單節(jié)鋰電池組平衡問題非常重要。電池組單元電量平衡可采用電容平衡等多種方案。

B1，B2…組成鋰電池組單元電池，R1，R2…為放電平衡電阻，電池組充電時電流I 在電池中相等，某節(jié)電池電壓高于其他電池時，MCU 控制多路開關K2 合上，循環(huán)n 次使得鋰離子電池能平衡充電，方案使用中需注意選取電阻值。K1，K2……為MCU 控制多路開關，充電時電流I 在各節(jié)電池壓降，某節(jié)電池電壓高于其他電池，CPU（中央處理器）控制多路開關K2 和K3合上，B2 通過K2 和K3 向平衡電容C 充電，MCU 控制多路開關K3 和K4 向B3 釋放電能，使B3 電壓上升，使得鋰電池組單元電池平衡充電，方案使用中應注意掌握電容充放電時間。

4 電動客車鋰電池組的PACK 管理應用

4.1 電動客車發(fā)展現(xiàn)狀

國務院發(fā)布《節(jié)能新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，以純電驅動為新能源汽車發(fā)展主要戰(zhàn)略取向，應總結純電動城市客車運行經(jīng)驗，確定促進純電動汽車商業(yè)化技術突破點。純電動城市客車節(jié)能減排優(yōu)于傳統(tǒng)客車，發(fā)電環(huán)節(jié)污染可以通過綠色能源發(fā)電等多方面解決，純電動客車單次投入數(shù)量逐漸增加，需但要重視深層次的問題。

北京奧運會純電動客車電池壽命衰減快，合肥純電動鋰電池無法保證8 年客車使用壽命，青島純電動換電過程停車時間長，實地調查統(tǒng)計電動客車充換電時間，客車充換電時間約15 min，但駕駛員反映車輛過多需排隊，更換電池時間在30 min左右。分析純電動客車運營反饋，發(fā)現(xiàn)純電動客車批量運行需要更多技術突破。需選擇合適的電池PACK 方式解決電池續(xù)駛里程的問題。

4.2 純電動客車鋰電池PACK 方式

（1）純電動客車功率基本在300 kW，常用的540 VDC 電壓電池容量需600 A·h，采用200 A·h 單體電池需3 并，采用圓柱形電池（5 A·h 左右）需120 并，需要考慮如何通過電芯有效PACK（即鋰電池電芯組裝成組的過程）提高電池組續(xù)航里程。PACK 方案有先并后串和先串后并方式。電芯先并聯(lián)后串聯(lián)，由于內阻差異等因素影響串聯(lián)后電池組循環(huán)壽命，圓柱形電芯并聯(lián)電池失效退出，但對并聯(lián)工藝要求嚴格。電芯PACK 后散熱效果較好，對環(huán)境適應性強。

（2）方形電芯避免外部并聯(lián)，但失效后電池組不能使用，電池由于單體容量大，對環(huán)境適應性較弱。并聯(lián)中某個單位電池短路造成電路電流大，易引發(fā)電池燃燒危險，但可通過熔絲保護技術避免。根據(jù)電池組容量先串聯(lián)后并聯(lián)，可降低大容量電池組故障概率。圓柱形電芯將電池組分為3 組小容量獨立電池組，小組電池故障不影響本組使用，減少了PACK 工藝復雜性。方形電池組一組有故障，避免單串電池出現(xiàn)問題后整組停用。PACK 方式對管理系統(tǒng)提出較高要求，整組電池停止充電往往因為個別電池組處于弱勢造成。先串后并可通過主動均衡對小組進行自動修補投入充放電，個別電池組損壞易于更換。

（3）遇到電池組短路時，PACK 方式能量包變小。對比發(fā)現(xiàn)先串后并PACK 方式為電動客車最佳選擇方式。

（4）主動均衡是有效電池管理均衡技術，單個模組內雙向直流將異常電荷傳送，通過系統(tǒng)母線進行模組傳遞，主動均衡電流可做到5 A 以上，是電池管理的重要發(fā)展方向。先串后并的PACK 方式，合理投入機制是管理系統(tǒng)的重要控制策略。充電中使用主動均衡技術可以增加電池組的充電容量10%以上，放電中使用主動均衡技術可增加電池組放電容量10%以上。主動均衡策略保證電池組續(xù)駛里程，降低了停車故障概率。