鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 鋰電池的原理特性及剩余電量研究

1.1鋰電池的工作原理

早期的鋰電池直接在負(fù)極中使用金屬鋰，容易在充電過程中產(chǎn)生鋰沉積，并且產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，大大縮短了電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重時可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問題，人們開發(fā)出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負(fù)極中采用可以容納鋰離子的晶狀結(jié)構(gòu)活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極或者從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過程是通過鋰離子電池正負(fù)極中的嵌入和脫嵌來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電池充電時，正極釋放出鋰離子于電解質(zhì)中，這個過程是脫嵌，負(fù)極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個過程是嵌入，當(dāng)電池放電時發(fā)生與上述相反的過程，這種充放電時鋰離子往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅一樣搖來搖去，故有人稱鋰離子電池為“搖椅電池”。一般鋰離子電池的負(fù)極由碳(C)材料構(gòu)成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構(gòu)成，主要的化學(xué)反應(yīng)為：

鋰離子電池有許多優(yōu)越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長(相對其他的蓄電池)。從安全性來講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經(jīng)過過充、短路、穿刺、沖擊(壓)等濫用實(shí)驗(yàn)(ABUSE TEST)，均無危險發(fā)生。鋰離子電池與鎳鎘電池(Cd-Ni)，鎳氫電池(MH-Ni)電池一樣，可以快速充電，且無記憶效應(yīng)，遠(yuǎn)比Cd-Ni電池優(yōu)越;它的自放電率遠(yuǎn)比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護(hù)的角度看，世界環(huán)境保護(hù)組織早已把鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)三種元素列為有害物質(zhì)。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環(huán)境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問題。當(dāng)然，鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)，比如低溫放電率不高，電池的價格比較高等。

1.2鋰電池的充放電特性

蓄電池的充電過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，其復(fù)雜性表現(xiàn)為：

(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質(zhì)的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

(2)非線性一般而言，充電電流在充電過程中隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡單恒流或恒壓控制充電全過程。

(3)復(fù)雜的電化學(xué)性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時放電的歷史狀態(tài)不一樣，剩余電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給水下機(jī)器人提供動力的電池組，由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，其充放電過程也更為復(fù)雜，尤其是過充電和過放電會對電池的結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術(shù)與傳統(tǒng)的電池技術(shù)相比有很大的性能優(yōu)勢，但對監(jiān)測系統(tǒng)也有更高的要求。

如果控制不當(dāng)?shù)脑?，不僅對電池的結(jié)構(gòu)會造成破壞，還會發(fā)生危險。

鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對過充電和過放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰電池易受到的過充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。

不同的電池可能具有不同的容量，同容量數(shù)值相同的電流值稱為1C.鋰電池在不同的電流下的充、放電特性會有不同，因此研究它的充、放電特性，使用正確的充、放電控制、保護(hù)方式對于其使用安全和提高使用壽命具有很大的理論和應(yīng)用意義。

鋰電池在充電時的特性如圖：

鋰電池在充電中具有如下的特性：

(1)在充電前半段，電壓是逐漸上升的。

(2)在電壓達(dá)到4.2V后，內(nèi)阻變化，電壓維持不變。

(3)整個過程中，電量不斷增加。

(4)在接近充滿時，充電電流會達(dá)到很小的值。

經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)找到了較好的充電控制方法：

(1)首先使用恒流進(jìn)行充電，使電壓基本達(dá)到4.2V.安全電流為小于0.8C.

(2)恒流階段基本能達(dá)到電量的80%.

(3)轉(zhuǎn)為恒壓充電，電流逐漸減小。

(4)在電流達(dá)到較小的值(如0.05C )時，電池達(dá)到充滿狀態(tài)。

這種恒流-恒壓的充電方式能很好的到達(dá)電池的充滿狀態(tài)，并且不損害電池，已經(jīng)成為鋰電池的主要充電方式。但是在電池電壓己經(jīng)很低的情況下，電池內(nèi)部的鋰離子活性減弱，如果此時用比較大的電流充電，也有可能對電池有損害。如同人在劇烈運(yùn)動前要進(jìn)行必要的熱身活動一樣，鋰離子的活性也要逐步激活?？梢栽陔姵氐蛪憾尾捎妹}動方式，有效激活電池電壓到3.0V以上，然后采用恒流-恒壓的充電方式，有效的保護(hù)電池。

鋰離子電池具有很好的負(fù)載能力，它在不同電流時的放電特性如圖：

(1)最大可安全的提供3C的放電電流。

(2)不同的放電電流對電壓和電量的影響不同，能夠輸出的有效電量也相差很大。

(3)放電到3V左右，電池電量已經(jīng)基本輸出完畢。

根據(jù)放電特性，本文將研究采用合適的放電管理和保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的動態(tài)管理。2鋰電池剩余容量的研究

2.1影響電池剩余容量的因素

在電池的使用過程中電池容量受許多不確定因素的影響，因而如何根據(jù)可測的電池參數(shù)對現(xiàn)存電池容量狀態(tài)作出準(zhǔn)確的估算是一個難題。目前，國內(nèi)外較為普遍采用電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)作為電池容量狀態(tài)描述參數(shù)，反映電池的剩余容量，其數(shù)值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值：

式中：CQ是電池的剩余能量，0C為電池標(biāo)稱容量，即在規(guī)定電流和溫度下處于理想狀態(tài)時的所能放出的容量。通常把一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)100%，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)0% 。[!--empirenews.page--]

蓄電池的放電過程是個復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，蓄電池的剩余容量受到電池溫度、放電率、自放電、充放電循環(huán)次數(shù)等多種因素的影響，使得對于剩余容量的估算十分困難。當(dāng)電池放電時，以下的一些因素將會給電池的實(shí)際剩余容量帶來主要的影響。

(1)放電率。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池所能放出的電量越小。

(2)電池溫度對容量的影響。電池溫度對其容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電池溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)逐步改善，因此放電時較高的電池溫度會使電池放出更多的電量。

但充電時過高的溫度會使更多的氧氣析出，電極電壓更容易達(dá)到最大值，反而會降低充電效果。

(3)自放電率。電池在貯存期間，由于電池內(nèi)雜質(zhì)的作用，如正極活性的金屬離子與負(fù)極活性物質(zhì)組成微電池，發(fā)生負(fù)極金屬溶解與氫氣析出。又如溶液中從正極板溶解的雜質(zhì)，若其標(biāo)準(zhǔn)電極電位介于正極與負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電極電位之間，則會被正極氧化，又會被負(fù)極還原。

所以有害雜質(zhì)的存在，使正極和負(fù)極的活性物質(zhì)被逐漸消耗，從而造成電池容量損失，這種現(xiàn)象稱為自放電。

(4)壽命。電池經(jīng)歷一次充電和放電稱為一次循環(huán)或一個周期。在一定放電條件下電池工作至某一規(guī)定容量值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命。對于鋰離子電池，隨電池壽命的變化，電池容量也會發(fā)生變化。

2.2剩余容量估計(jì)常用方法

簡介在剩余容量估計(jì)中常用的方法一般有：

1.開路電壓測量法。

利用電池的開路電壓與電池放電深度的對應(yīng)關(guān)系，通過測量電池的開路電壓來估算SOC.對于鋰離子電池其開路電壓與它的SOC有一定的正比關(guān)系，可以用這種方法較為直接的得到電池的SOC.開路電壓法比較簡單，但是充放電進(jìn)行的過程中開路電壓是無法檢測到的，因此這種方法不能用于動態(tài)估算電池的SOC。

2.電量累積法(安時積分法)。

電量累積法的直觀表達(dá)式是：蓄電池的剩余電量=(總電量)-(已放出的電量)。這里，我們不用去研究相對較為復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)及電池內(nèi)部各參數(shù)之間的關(guān)系，而把電池看作為一個封閉系統(tǒng)，僅關(guān)注系統(tǒng)的外部特征。這樣，在電量監(jiān)測中，將進(jìn)出電池這個封閉系統(tǒng)的電量進(jìn)行累加，通過累積電池在充電或放電過程中的電量來估測電池的SOC.同時，根據(jù)電池的溫度、放電率對SOC進(jìn)行補(bǔ)償。放電容量和放電電流是密切相關(guān)的，當(dāng)電池以某一電流放電到截止電壓后，并不意味著剩余容量已經(jīng)為零，此時，如果改用稍小的電流繼續(xù)放電，則仍能放出一部分的電量，所以在提供剩余容量預(yù)測的同時必須給出放電電流的大小。電量累計(jì)法(安時積分法)采用積分法實(shí)時計(jì)算充入電池和從電池放出的電量，對電池的電量進(jìn)行長時間的記錄和監(jiān)測，這樣可以和滿電量進(jìn)行任意時刻下的比較，從而就能得到對應(yīng)于該時刻的剩余電量。該方法實(shí)現(xiàn)起來較簡單，受電池本身情況的限制小，宜于發(fā)揮微機(jī)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。但是用安時法得到的SOC估計(jì)，會隨著時間的推移其誤差越來越大。

3.測量內(nèi)阻法。

這一方法是由日本的CHUGOKU Electric Power Co.Inc.提出用于混合動力電動汽車蓄電池荷電狀態(tài)SOC的檢測。該方法用不同頻率的交流電激勵電池，并測量電池內(nèi)部的交流電阻，然后，通過建立的計(jì)算模型得到SOC估計(jì)值。應(yīng)指出，該方法得到的電池荷電狀態(tài)反映了電池在某特定恒流放電條件下的SOC值。這種方法實(shí)現(xiàn)比較困難，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳁l件對電池的內(nèi)阻影響很大，內(nèi)阻的計(jì)算需要考慮電動勢的大小、端電壓、放電電流值，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難建模。因此，在電池管理系統(tǒng)中較少應(yīng)用這種方法來確定電池的荷電狀態(tài)。

4.建立蓄電池的數(shù)學(xué)模型。

主要做法是通過實(shí)驗(yàn)獲得電池數(shù)據(jù)(整個電池組的電壓和電流)，建立電池的多輸入——單輸出的線性模型，通過系統(tǒng)辨識的方法，得出電池的動態(tài)模型參數(shù)，利用此實(shí)驗(yàn)建模的研究結(jié)果，探討實(shí)現(xiàn)對蓄電池SOC估算的修正方法。

5.模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域的兩個分支，它們共同的特點(diǎn)就是均采用并行處理結(jié)構(gòu)，均是無模型的預(yù)報器，可從系統(tǒng)的輸入、輸出樣本中獲取系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。在蓄電池剩余容量的預(yù)測中，考慮到影響電池狀態(tài)的因素很多，系統(tǒng)模型難以建立的問題，用模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來判斷電池的荷電狀態(tài)一直是研究的熱點(diǎn)。這些復(fù)雜算法在單片機(jī)系統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中還不多見，但這是未來發(fā)展的方向。

2.3本電池管理系統(tǒng)所采用方案

由以上分析可知，電池容量的估算方法有很多，不同的SOC估算方法各有其特點(diǎn)，本文通過實(shí)驗(yàn)分析，得出了適合鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用安時積分法和開路電壓測量法相結(jié)合的方案。

應(yīng)用安時積分法對工作狀態(tài)中的鋰電池剩余容量進(jìn)行計(jì)算。其基本思想是把不同電流下的放電電量等效成某個特定電流下的放電電量，再根據(jù)剩余電量來判定SOC.等效放電電量公式如下：

式中：t：充放電時間;

λ：不同充放電的系數(shù);

i：充放電電流。

式中：0C是電池以標(biāo)定的電流恒流放電所具有的容量。

在安時積分法中由于電池自放電和充放電效率的問題，誤差不斷積累、SOC估計(jì)值最終可能嚴(yán)重偏離實(shí)際值，尚未找到根本性的解決方案。

除了利用安時積分法記錄電池的容量變化外。通過試驗(yàn)，在每次系統(tǒng)上電時根據(jù)電池斷電時間，及其上電時的開路電壓對當(dāng)前SOC做一定的修正，即補(bǔ)償。對電池的補(bǔ)償需要對其管理的電池有一定的先驗(yàn)性認(rèn)識。這種做法雖然比較復(fù)雜。但卻被認(rèn)為是實(shí)際電池能量管理系統(tǒng)中較為有效的一種做法。鋰離子電池的端電壓在其充放電過程中變化較大。所以，我們無法在運(yùn)行過程中利用端電壓估計(jì)電池的剩余容量。但是，當(dāng)電池斷電后(即靜止后)，其端電壓隨著時間的延長會逐漸趨于穩(wěn)定，這時的端電壓與其容量的關(guān)系較為明確。電池停放的時間越長，端電壓越能表征其內(nèi)部容量?；诖?，可以考慮將電池的停放時間t作為參數(shù)，在電池停放前的容量0 SOC與電池穩(wěn)定后其端電壓所表征的容量SOC1做一定的加權(quán)，如下式：

式中：T：電池端電壓穩(wěn)定所需的時間;

t：電池停放時間(即兩次使用的間隔時間);

SOC0 ：電池停放前的剩余容量;

SOC1：電池穩(wěn)定時其端電壓標(biāo)志的剩余容量。

理論上來說，T是一個無窮長的時間。但在實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為其端電壓變化率小于一定值的時候端電壓即是穩(wěn)定的。電池穩(wěn)定后其端電壓所表征的容量1 SOC可由電池供應(yīng)商提供的電池參數(shù)確定，本電池管理系統(tǒng)所管理鋰電池為雷天公司的90AH動力鋰電池，參數(shù)如下圖所示：