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(shí)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(shí)，正極釋放出鋰離子于電解質(zhì)中，這個(gè)過程是脫嵌，負(fù)極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個(gè)過程是嵌入，當(dāng)電池放電時(shí)發(fā)生與上述相反的過程，這種充放電時(shí)鋰離子往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅一樣搖來?yè)u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(zhǎng)(相對(duì)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(xiǎn)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(jià)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(gè)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(duì)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(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(huì)對(duì)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(shì)，但對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有更高的要求。

如果控制不當(dāng)?shù)脑?，不僅對(duì)電池的結(jié)構(gòu)會(huì)造成破壞，還會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)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(gè)過程中，電量不斷增加。

(4)在接近充滿時(shí)，充電電流會(huì)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(shí)，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(shí)用比較大的電流充電，也有可能對(duì)電池有損害。如同人在劇烈運(yùn)動(dòng)前要進(jìn)行必要的熱身活動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)參數(shù)的動(dòng)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(cè)的電池參數(shù)對(duì)現(xiàn)存電池容量狀態(tài)作出準(zhǔn)確的估算是一個(gè)難題。目前，國(guó)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(shí)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(gè)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(duì)于剩余容量的估算十分困難。當(dāng)電池放電時(shí)，以下的一些因素將會(huì)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(duì)容量的影響。電池溫度對(duì)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(shí)較高的電池溫度會(huì)使電池放出更多的電量。

但充電時(shí)過高的溫度會(huì)使更多的氧氣析出，電極電壓更容易達(dá)到最大值，反而會(huì)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(huì)被正極氧化，又會(huì)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(gè)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(duì)于鋰離子電池，隨電池壽命的變化，電池容量也會(huì)發(fā)生變化。

2.2剩余容量估計(jì)常用方法

簡(jiǎn)介在剩余容量估計(jì)中常用的方法一般有：

1.開路電壓測(cè)量法。

利用電池的開路電壓與電池放電深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量電池的開路電壓來估算SOC.對(duì)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(jiǎn)單，但是充放電進(jìn)行的過程中開路電壓是無法檢測(cè)到的，因此這種方法不能用于動(dòng)態(tài)估算電池的SOC。

2.電量累積法(安時(shí)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(duì)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(gè)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(cè)中，將進(jìn)出電池這個(gè)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(cè)電池的SOC.同時(shí)，根據(jù)電池的溫度、放電率對(duì)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(shí)，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(cè)的同時(shí)必須給出放電電流的大小。電量累計(jì)法(安時(shí)積分法)采用積分法實(shí)時(shí)計(jì)算充入電池和從電池放出的電量，對(duì)電池的電量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的記錄和監(jiān)測(cè)，這樣可以和滿電量進(jìn)行任意時(shí)刻下的比較，從而就能得到對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻的剩余電量。該方法實(shí)現(xiàn)起來較簡(jiǎn)單，受電池本身情況的限制小，宜于發(fā)揮微機(jī)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。但是用安時(shí)法得到的SOC估計(jì)，會(huì)隨著時(shí)間的推移其誤差越來越大。

3.測(cè)量?jī)?nèi)阻法。

這一方法是由日本的CHUGOKU Electric Power Co.Inc.提出用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車蓄電池荷電狀態(tài)SOC的檢測(cè)。該方法用不同頻率的交流電激勵(lì)電池，并測(cè)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(duì)電池的內(nèi)阻影響很大，內(nèi)阻的計(jì)算需要考慮電動(dòng)勢(shì)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?cái)?shù)據(jù)(整個(gè)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(shí)的方法，得出電池的動(dòng)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(duì)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(gè)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(bào)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(cè)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停捎冒矔r(shí)積分法和開路電壓測(cè)量法相結(jié)合的方案。

應(yīng)用安時(shí)積分法對(duì)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)根據(jù)電池?cái)嚯姇r(shí)間，及其上電時(shí)的開路電壓對(duì)當(dāng)前SOC做一定的修正，即補(bǔ)償。對(duì)電池的補(bǔ)償需要對(duì)其管理的電池有一定的先驗(yàn)性認(rèn)識(shí)。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?cái)嚯姾?即靜止后)，其端電壓隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)的端電壓與其容量的關(guān)系較為明確。電池停放的時(shí)間越長(zhǎng)，端電壓越能表征其內(nèi)部容量?；诖耍梢钥紤]將電池的停放時(shí)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(shí)間;

t：電池停放時(shí)間(即兩次使用的間隔時(shí)間);

SOC0 ：電池停放前的剩余容量;

SOC1：電池穩(wěn)定時(shí)其端電壓標(biāo)志的剩余容量。

理論上來說，T是一個(gè)無窮長(zhǎng)的時(shí)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(shí)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(dòng)力鋰電池，參數(shù)如下圖所示：