锂离子电池组监控系统研究与实现 — 锂离子电池监控系统基础研究

经实验表明，锂电池的使用寿命远远大于其他电池，其充放电次数为600-1000次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电数一般为300-600次。锂电池的充电次数具体视充电周期而定，一个充电周期意味着用完电池的所有电量，但并不等同于充一次电。例如，可以只用了一半的电量，然后又为它充满电，再用了一半的电量，然后又为它充满电，这只能算作一个充电周期，而不是两个，因此，你可能要花几次完成一个周期。每完成一个充电周期，电池容量就会减少一点。

2.3锂电池充电管理

在锂电池监控管理系统中另一个重要部分就是对锂电池的充电管理。目前来说，主要存在两种充电模式，一种是恒流恒压的充电模式，另一种是脉冲电流充电的模式。根据这两种充电模式，目前主要存在三种充电方式：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模式。

2.3.1线性充电方式

线性充电方式主要应用于对噪声敏感的无线设备，其优点是成本最低，复杂度最小，同时在三种方式中其传导和辐射干扰是最小的。但是这种充电方式有一个很大的缺点，就是功率损耗较大。基于线性充电方式的这些优缺点，这种充电方式在小功率便携设备充电方案中具有很大的市场。线性充电方式检测电池电压来决定其充电状态[26]。当电池电压小于某阈值电压时，处于预充电状态，此时以较小的电流对电池进行充电，预充电使电池电压达到阈值电压后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流可以调整。恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电压（一般为4.2V）后，进入恒定电压充电状态。在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于某阈值时，充电结束。充电结束后，对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。

2.3.2开关充电方式

相对于线性充电方式来说，开关充电方式具有最大的优点就是低损耗，这种充电方式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。线性充电方式由于其高损耗的缺点，在一些散热条件差、环境温度比较高的场所使用，可能会产生非常严重的后果。因此，在这种环境下，采用开关充电方式是非常必要的。

但是开关充电方式也有其自身的缺点，这种方式所搭建的电路体积较大、复杂度较高，另外还有一些干扰问题。

2.3.3脉冲充电方式

脉冲充电方式是一种新型的充电方式，其充电过程在前半部分与恒流-恒压充电方式是相同的，都是在开始时采用恒流对电池充电，当电池电压上升到4.2V以后，开始转入真正的脉冲充电阶段，而不是恒压充电。在脉冲充电阶段，充电器间歇性的对电流进行充电，充电电流值与在恒流充电阶段相同。经过一定时间，当电池电压超过4.2V后，充电回路被切断，电压会慢慢下降。下降到一定值后在打开充电回路继续充电，重复进行这些过程，直到电压的下降速度足够慢，认为电池满电量。

脉冲充电方式综合了开关方式和线性方式的优点。这种充电方式不会产生热损耗，且效率很高，而且由于这种方式没有额外的输出滤波电路，因此不会产生干扰。但是，脉冲充电方式也有其自身的缺点，就是成本比较高。这是由于它需要一个有限流功能的电源。

2.4电池电量管理

锂离子电池的特性对设备的正常工作有很大影响。在实际应用中，要求锂离子电池能够满足工作的功率需求，并且要求维持正常工作的时间尽量长。锂离子电池电量管理是锂离子电池的关键技术之一。实现锂离子电池的电量管理，可提升电池组的安全性、效率、寿命，从而提升系统的整体性能。此外，大多数应用场合需要显示电池组的剩余电量信息，以供使用者明确电池组的工作状态，及时对电池组进行充电。

SOC指的是电池剩余电量值，它是电池使用过程中的重要参数。在对电池进行管理的过程中，必须要对电池的剩余电量也就是SOC进行估计。因此，SOC的精确估计非常重要。SOC估计与电池自身的特性和外界的因素有很大的关系。其中，最主要的因素有环境温度、充放电效率、自放电、电池的循环寿命等。另外，选用合适的SOC估计算法来进行剩余电量计算也是非常重要的。常见的SOC估算方法有放电实验法、开路电压法、安培积分法等。

1、放电实验法这种SOC估计算法是精确估算电池剩余电量的最可靠方法，在实验室中经常采用这种方法。但是，当电池处于动态时，这种方法不适用。
这种估算方法的策略比较简单，采用恒流将电池放电至截止电压，电流与时间的乘积就是剩余电量。

2、开路电压法、开路电压法是指当电池处于开路的状态时，其电压值与SOC之间存在一个基本上趋于线性的比例关系。因此，我们只需要测量电池的开路电压值，就可以得到其SOC值。这种估算方法是最简单的。

3、安培积分法安培积分法是比较复杂，需要考虑很多因素，例如温度、充放电效率，自放电率等，如果忽略这些因素，那么在对电池电量进行估计时会产生误差，这些误差会随时间而逐渐累加，最终对估算结果造成很大的影响。因此，在实际使用中，安培积分法一般都是与其它方法结合使用而不单独使用。

安培积分法就是指通过计算电池在充放电过程中的容量变化的差值，获得电池的剩余容量。