摘要：随着社会的发展，锂电池在生产生活的各个领域应用非常广泛，电池的应用与管理变成了各种设备发展中一种非常关键的技术。本文通过对锂电池技术的研究，设计了一种新型的关于锂电池的管理系统，并介绍了实现方法。该锂电池管理系统的设计，实施了分布式的结构设计，内容包含有电量估计，电池充电与放电，单个电池间的均衡等功能本地测量模块，具体分析了实现各个模块的硬件设计。
关键词：锂电池；电池管理系统；方法研究
1 概述
锂电池具有体积小、重量轻，比能量大，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应，绿色，工作温度范围宽等特点。锂电池在移动通信设备中得到广泛应用，如动环设备、射频光纤分布系统、网络信号监测仪等，用于实现对这些设备在外电掉电下的状态监控；通常设备的监控系统供电电压在9V或以上，单节锂电池的标称电压为3.7V，常用的方案是采用多节锂电池串联的方式来达到应用系统的供电电压要求，由于每节电池在出厂时均存在一定的差异性，随着充放电次数的增加，串联中的各锂电池的差异将越来越大，造成电池组中各电池的充电时间不一致，导致电池浮冲、过充或过放，容易造成电池损坏。
为克服锂电池应用存在的缺点和不足，特别是多节锂电池串联存在的充放电不平衡问题，采用基于单节锂电池应用的管理系统及技术方案，可有效解决这些固有缺陷。
2 锂电池管理系统及硬件结构
2.1 电池管理系统概念
电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS），它涉及微电脑技术及检测等技术，实施动态地监控电池单元及电池组的运行状态，能够准确地计算电池的剩余电量，对电池实施充放电保护，促使其处在最佳工作状态，降低运行成本，提高使用寿命。本文综合了国内外的一些先进成果，设计并实现了一种新的锂电池管理系统。本管理系统结构采用模块化、分布式的设计，系统包含2级的控制结构，即本地测量模块与中央处理模块。其中，中央处理模块主要的功能为利用RS232接口和上位机实施通信，以CAN总线网络形式进行和本地测量模块连通；本地测量模块主要的功能为数据采集（主要为温度、电流及电压的数据采集），充放电控制，电量测量，单个电池均衡及利用CAN总线技术与中央处理模块通信等。
2.2 锂电池管理系统的硬件结构
本锂电池管理系统主要由充电模块、数据采集模块（包括电压，电流，温度数据采集）、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如下：
其中数据采集模块负责采集电池的各种状态参数，如电流、电压、温度；充电控制模块按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电，并根据采集的数据对充放电过程进行控制；均衡模块在适当的时候通过15W的开关电源对单个电池进行均衡充电，使电池组中的电池更加均衡一致；电量估测单元主要是分析采集过来的状态参数并根据研究试验得出的电量估测算法，对电池的当前电量进行估测；数据显示单元采用图文液晶显示屏，可显示各节电池电压，充放电电流，剩余电量，电池温度和充电时间；存储通信单元通过存储芯片定时把充放电信息（电压，电流，充放电时间等）存储起来，可通过串口与电脑通信，在电脑上显示充放电信息。
3 单节锂电池管理系统框图
单节锂电池的标称电压通常为3.7V，通常难以正好达到设备监控系统的供电要求。
单节锂电池充放电管理系统包括：锂电池充放电管理模块、锂电池放电过流保护模块、锂电池电压过放保护模块及锂电池电压升压模块。
该锂电池管理系统输入部分为外部充电电源，输出部分为应用系统的工作电源，其中锂电池充放电管理模块、锂电池电压过放保护模块、锂电池放电过流保护模块只是逻辑上划分，物理上可能集成。
4 单节锂电池充放电管理方法
依据锂电池典型充电电压电流曲线，结合移动通信设备中锂电池使用特点，当应用系统外部供电掉电时，锂电池管理系统能够将应用系统电源无缝切换至采用锂电池供电，锂电池放电时，能及时监测锂电池过流、过放情况并自动切断；当应用系统外部供电正常时，能够根据侦测到的锂电池电压情况对锂电池及时充电，避免浮充等。单节锂电池充放电管理流程如下。
4.1 在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池未充满的状态下，锂电池充放电管理模块对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，当监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，启动锂电池充电过程，当监测到锂电池电压等于锂电池最高电压，且充电电流很小时，则停止锂电池充电过程，避免浮充；
4.2 在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池已经充满状态下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压不断进行监测，若监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，重新启动锂电池充电过程；
4.3 在外部充电电源供电异常情况下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，此时监测到外部充电电源模块电压不正常，则启动锂电池放电过程；
4.4 锂电池放电过流保护模块时刻监测锂电池放电回路中的工作电流大小，当监测到放电回路中锂电池放电电流大于锂电池最大放电电流门限时，则断开锂电池放电回路；当监测到放电回路中锂电池放电电流低于锂电池最大放电电流门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
4.5 锂电池电压过放保护模块时刻监测锂电池当前电压大小，当监测到锂电池电压低于最低放电电压门限时，断开锂电池放电回路，停止锂电池供电；当监测到锂电池电压高于最低电压门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
锂电池电压升压模块将单节锂电池电压升压到适于应用系统工作的电压值，以满足应用系统所需电压要求。
5 单节锂电池管理系统实现
单节锂电池应用系统的关键技术及难点，主要体现在锂电池容量的估算及选型，锂电池电压升压器件的选型，锂电池充放电管理芯片的选型及充放电开关的选型上。
锂电池容量的估算，需要根据嵌入式最小系统及其外设的功耗及系统要求的锂电池供电时间进行推算。锂电池容量计算可采用公式1进行推算并留有余量。
Ii=（（Ic*Uc）/η1）/η2/Ui（1）
其中：
Ii、Ui为锂电池供电电流、电压；
Ic、Uc为应用系统工作电流、电压；
η1、η2为开关电源、升压DC/DC效率；
锂电池电压升压器件的选型，主要考虑芯片的输入电压范围、输出电压范围、芯片效率及散热等。
锂电池充放电管理芯片的选型，主要考虑芯片的输入电压范围应在应用系统的供电电压应在其输入电压范围内、芯片充电电流大小及最大放电电流、过充电压及过放电压等。
锂电池充放电开关的选型，建议采用基于MOSFET的大功率开关管。
通过器件选型及相关常温、高低温实验验证，设计实现的电路在输入、输出动态范围额定负载的情况下输出电压稳定，电压纹波在合理范围内，实现了单节锂电池管理系统在产品中的应用，证明了技术方案的可行性。
6 结语
本文提出了一种单节锂电池管理系统及方法，通过设计实现及实际应用进行了可行性验证。采用单节锂电池供电方案，避免了多节锂电池串联供电由于锂电池之间的差异性存在的固有缺陷，增强了锂电池使用寿命、降低了成本。
参考文献：
[1]钟胜蓝.锂电池组系统的管理研究与实现[D].成都：电子科技大学，2011.
[2]谢卓，赵朋斌.一种锂电池电量监测电路设计方法[J].现代电子技术，2012.
论文作者:孙仲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
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