智能动力锂离子电池组能源管理模块安装在动力锂离子电池组内部，以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效地对锂离子电池组内各单节锂电池的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供了通信接口。
关键词：动力锂离子电池组；MCU（微处理器）；平衡电路；温度保护
0 引言
由于锂离子电池具有放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，无记忆效应，体积小，重量轻及无公害等优点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。但另一方面锂离子电池对充放电要求很高，当过充电发生时，电解质会被分解，而使得电池内部的温度与压力上升；当过放电发生时，负极中电解材质铜会熔化而造成内部短路，使温度增加；当外部电路短路或放电电流过大时，由于高内阻的特性，电池内部功率消耗增加，温度亦会上升，可能引起电解液的氧化或分解，导致电池寿命缩短；当以上情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸[1]，因此，锂离子电池无一例外地都加有保护电路。再者，由于动力设备为减少大电流对锂离子电池造成的损耗，使用的驱动电压远高于单节锂电池的3.6V，目前电动自行车使用额定电压一般为36V，电动汽车则使用300V左右的电压。这就使得必须使用多节锂电池单元串联组成电池组，这样就解决了大电流造成损耗的问题，但又带来了锂电池组组合的新问题：各单节锂电池内部特性的不一致，必然导致各节锂电池充、放电不一致，故在充、放电过程中需要解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题。
本文介绍的智能动力锂离子电池组能源管理模块安装在动力锂离子电池组内部，是以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效地对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供了通信接口。
1 系统组成及主要功能
智能动力锂离子电池组能源管理模块的设计思路，来源于笔记本电脑中的电池电源管理方案设计。笔记本电脑的电池电源管理能够精确提供（或者显示）电池状态数据，包括电池当前的端电压、电池温度、电池内阻、电池的剩余容量，使人们在用电池供电时，不至于在正常的工作中突然掉电而影响工作或造成数据的丢失；可以合理或者更科学地使用电池，不会使电池过放电和过充电，有效地延长电池的使用寿命以及必要的保护和报警功能。电动力设备如电动自行车、电动汽车使用的动力锂离子电池组的能源管理同样应具有上述功能。本智能能源管理模块主要由“管理功能”、“保护功能”和“通信功能”组成，相应的功能框图如图1、图2和图3所示。
2 主要工作原理及方案设计
2.1 充电原理与方案设计
普通（常规）充电法的时序图如图4所示，它是按预充、恒流、定压三阶段进行[5]；由于本智能能源管理模块的控制、检测置于电池内，而充电电源及适配器外置，虽然可通过通信接口与外接充电器形成一个闭环控制电路（电动汽车具有此通信接口），但并不是所有用电设备都有。当然亦可将充或放电开关管选择为线性调节方式（等效为可调电阻），线性模式成本较低，但该模式功率消耗引起的发热是非常大的，对如此小的系统，发热是无法接受的。为了能够达到兼容的目的，本智能能源管理模块的预充与定压充电采用间歇式充电法，如图5所示，而恒流充电则借助于充电电源适配器的限流控制。
对装有智能能源管理模块的动力锂离子电池组充电时，必须外接与之匹配的恒压限流型的电源适配器，其恒压值Uc为
Uc=4.2N＋损耗电压（1）
式中：N为电池节数。
限流值Ic为
Ic=（0.5～1）C（2）
式中：C为电池容量，如C=10A·h，0.5C充电率即充电电流为5A。
在实行充电前必须先进行系统的初始化，然后才按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电。
2.1.1 初始化
虽然初始化阶段并未开始对电池充电，但却是整个充电过程很重要的一步。智能能源管理模块在此阶段对自身进行初始化和自检，以确定自身是否工作正常，同时检测充电条件是否符合充电要求：
（1）外接充电电源极性是否正确；
（2）外接充电电压是否在规定范围内；
（3）当时温度是否过热或过冷；
（4）锂离子电池端电压（各单元）是否在允许的最低充电电压以上；
（5）锂离子电池端电压（各单元）是否高于过充电检测电压；
2.1.2 预充
预充电不是每次都要进行，其目的是当电池过度放电、存放时间太长或电池已经损坏，电池端电压已经低于锂离子电池允许的最低充电压以下时，必须以小的电流（约为正常充电电流的1/10）进行预充，使锂离子电池端电压上升到最低允许充电电压以上，才能转为下一个充电程序——恒流充电。
预充原理是电源适配器通过MCU控制向电池施加一个比较小的充电电流（约为正常充电电流的1/10），使得低于允许的最低充电压以下的电池在固定的时间内达到最低允许充电电压值，避免将深度放电的电池认为是不可充的电池。
如图6所示，本模块的预充是电源适配器通过预充开关管S1、电阻R4、S3向电池预冲的，这时MCU通过程序控制放电开关管S3全导通，预充开关管S1做间歇式导通，刚开始时采用较短的导通时间及间隔较长的关断时间（等效平均电流较小）向电池预冲，在S1截止期间检测各单元电池的电压，若电压升高可适当加大S1的导通时间及减少间隔时间使之保持在一相对平衡的充电功率之下，直至电池的端电压上升到锂离子电池允许的最低充电电压（2.5～2.7V之间，与温度有关），然后进入下一充电阶段——恒流充电；若长时间预充电池端电压都不能到达最低允许充电电压，则说明电池已损坏，程序进入充电禁止状态。
2.1.3 恒流充电
本模块对锂电池恒流充电要求外置充电电源是恒流的，其恒流值应小于锂离子电池的最大允许充电电流（<3C），一般定为0.5C。MCU通过程序控制充电开关管S2、放电开关管S3全导通，电源适配器通过充电开关管S2、放电开关管S3向电池组恒流充电。电池电压将缓慢上升，一般按0.5C恒流充电的时间为2h，这时电池电量达到了满电量的70％～80％。当单个电池单元电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入保持充电过程。
2.1.4 保持充电
传统锂离子电池充电器方案中采用电流渐变方法，使充电电流在锂离子电池接近充分充电时逐渐下降，以减少充电电流在电池内阻保护器和引线上形成的电压差，提高电池端电压监测的准确性。这种电流渐变并不是由电池的电化学特性要求的，可由其他方法确保判断电池已充分充电，则可大大放宽对充电电源的要求。
本模块保持充电采用间歇充电形式，在电池电压接近充满时，间歇地关断充电电流，并在关断期间检测电池端电压来判定电池是否充满，从而适时终止充电状态；亦可采用保持充电时启动一个定时器，然后在一个固定的延时后终止充电；也可检测充电电流，当充电电流跌落到一个下限值时终止充电（典型值是恒流值的5％）。
2.2 平衡电路原理与方案设计
当锂离子电池组由多个单体电池串联使用时，即使单节电池的性能再优良、质量再好，若配组使用的各单体电池特性不一致，都会导致电池组内部各单体电池过充和过放情况的严重不一致，就内部单体电池而言，串联使用比单个使用更容易发生过充和过放现象，且不易发现。任意一个电池的特性加剧恶化时，将导致电池组内其它电池发生多米诺骨牌效应的连锁性、加剧性损坏。电池组的品质由其中质量最差的一只电池决定，一只电池质量差不仅影响了整个电池组的性能，还会引起恶性的连锁反应，使差的更差，好的也会迅速变差。一只不好，会使整个电池组损坏，其损失可想而知[2]。
为解决上述问题，目前通用的做法是将单体电池精选配对，组合成优质的电池组，最大限度地减小单体电池间的差异。但由于我国锂离子电池生产单位多、原材料性能不稳定、生产过程自动化程度低、产品质量离散性大等因素，使得电池组的配组技术不完善，造成了动力锂离子电池组质量的不稳定。
就算动力锂离子电池组解决了配组的前期技术问题，电池组在使用中亦会使其特性产生变化，目前对电池组在使用中由于特性变化产生的导致电池组整体特性急剧衰退和部分电池加速损坏的现象，并无有效的解决办法，只能在电池组充、放电过程中检测到有一个电池处于过充或过放状态，保护电路就将整个充、放电电路关断。
由于上述原因，动力锂离子电池组在实际使用中（特别是充电时）解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题极为重要。
电池组各单元电量的平衡可采用电阻平衡、电容平衡、电感平衡等多种方案。
电阻平衡原理图如图7所示。B1、B2……Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2……Kn为MCU控制的多路开关，R1、R2……Rn为放电平衡电阻。当电池组充电时充电电流I在各节电池中都相等。当某节（例如：B2）电池电压高于其他电池超过某值时，MCU控制的多路开关K2合上，B2通过R2分流，使B2电压下降，如此反复循环n次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案简单、可靠，但电阻会消耗电能并发热，使用中需注意选取电阻阻值及功率，其最大的缺点是放电（工作）使用中，各单元平衡则白白消耗了锂离子电池组的电能。
电容平衡原理图如图8所示。B1、B2……Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2……Kn为MCU控制的多路开关，C为平衡电容。当电池组充电时电流I在各节电池的压降，若某节（例如：B2）电池电压高于其他电池超过某值、而B3最低，CPU控制的多路开关K2、K3合上，KA、KB都切换在a点，B2通过K2、K3、KA、KB向C充电，在C充满电后，MCU控制的多路开关K3、K4合上，KA、KB切换都在b点，电容C通过K4、K3、KA、KB向B3释放电能，使B2电压下降，B3电压上升，如此反复循环n次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案亦较为简单、可靠，但使用中应注意掌握好电容充放电时间，其最大的优点是充、放电（工作）使用中，都可平衡各单元电池的功能，且不消耗锂离子电池组的电能。本智能能源管理模块就是采用电容平衡方案。
2.3 电压检测原理与方案设计
锂离子电池在充电时为防止过充损坏电池，要求其端电压严格控制在4.2V以下，其精度要求为1％。本智能能源管理模块采用图9所示电压检测方案。其工作原理是：首先MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2（n=1，2，3，4，5，6，7），同步地将电容分别的接到各单元电池两端，使电容充电且使电容电压等于被测单元电池的电压；然后MCU控制多路开关Kn-1、Kn-2、断开，同时合上开关K－1和K－2接入A/D进行测量。此方案可直接使用微处理器内的8位共地A/D，不需要另外单独加入A/D，节省了设计成本。
2.4 大功率电子开关的选择
本智能能源管理模块的各种保护及工作状态都要用到大功率电子开关，本模块采用大功率、低导通电阻的MOSFET，电路如图6所示。使用MOSFET的原因是因为本电路既有充电回路，又有放电回路，为此电子开关器件应具有双向导通能力，而MOSFET具有此种能力。
电路本应该用一只MOSFET即可控制电流双向工作，但电路采用两只同类MOSFET反向对接串联组成的原因是由于MOSFET内都集成了一只二级管，电路始终有一端被二级管导通。故电路作为电子开关必须串联两只MOSFET才能组成。
本模块的MOSFET，选用日立公司的Low RDS(on)的D7-L系列，其典型的导通电阻为10.5mΩ（Vds=30V；Id=30A时）与4.4mΩ(Vds=30V；Id=60A时)。
2.5 温度保护方案设计
锂离子电池充电时对其温度有较高的要求，不能过热（>45℃）或过冷（<－10℃），否则将会导致性能下降、损坏，甚至出现其它安全（如爆炸等）问题，因此，对锂离子电池进行温度监测并实行保护是必需的。
本方案选用MAXIM公司推出的温度监控器MAX6501-MAX6504，对测量温度值不进行严格检测，只检测温度是否超出了某个预订范围，一旦温度超出所规定的范围则发出报警信号，并启动相应的保护电路。
MAX6501-MAX6504是具有逻辑输出的温度监视器件，采用5脚SOT23封装，工作电压范围为2.7～5.5V。温度检测门限由工厂预置为固定值，可预置范围为－40℃～115℃，预设间隔为10℃。
3 结语
本文介绍的动力锂离子电池组智能能源管理模块通过内置的微处理器，采用智能化的方法对电池提供平衡保护，发挥锂离子电池的最大性能，开发出样机经过试验，满足设计要求，目前已经在多家电动自行车厂进行了试用，具有很好的推广价值和经济前景。
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