动力锂电池管理系统

动力锂电池管理系统
中颖电子股份有限公司 高级工程师 张圣 （引言）
近年来，锂电池以其高能量密度、循环寿命长、轻便无污染等优点在电动工具、电动自行 车、电动摩托车以及 UPS 等领域得到广泛应用，锂电池混合动力车以及纯锂电池动力车也在逐 年增加，但是安全性能仍是动力锂电池行业最为关注的问题。本文结合中颖电子股份有限公司相 关产品介绍动力锂电池管理系统。
表一：电池性能和特点对wk.baidu.com表
铅酸电池
镍镉电池
镍氢电池
锂离子电池
比能量(wh/kg) 体积比能量(wh/L)
标称电压(V) 工作温度(℃) 自放电率(%)
循环寿命 记忆效应
优点
<30 100 2 -20~60 4~5 800 次 无 技术成熟 原材料便宜
缺点
污染
50 150 1.2 20~60 20~30 500 次 有
安全性能好
自放电率高 原材料稀缺
60～80 250 1.2 20~60 30~35
1000 次 有
安全性能好
污染 原材料稀缺
100～150 350～400
3.7 0~60 <5 >1000 次 无 单体电压高 比能量高 成本高 安全性稍差
实际应用中，锂电池组必须配备专用电池管理系统，以确保锂电池安全及使用寿命，电池 管理系统（Battery Management System，简称 BMS）的功能可分为两类：保护功能和监控功能。 可靠的 BMS 能够使电池始终保持在最佳工作状态下，最大限度延长电池的寿命。图一所示为基 于 SH79F329 的多串锂电池管理系统，该系统具备锂电池 BMS 的大部分功能。
（正文） 随着电动工具、电动自行车/摩托车、UPS 以及电动汽车等产业的兴起，大容量高电压动力
电池组的需求不断增加，锂离子电池凭借其诸多优点成为未来动力电池的最佳选择。锂离子电池 是 20 世纪开发成功的新型高能电池，广泛应用于便携式电器以及移动通信中。相对于市场中常 见的铅酸电池，镍镉电池以及镍氢电池等，锂电池具有单节电池电压高、体积小、质量轻、储存 能量多、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等特点，表一为各类电池间性能和优缺 点对比。
锂电池 BMS 的保护功能包括：过充电保护、过放电保护、过电流保护以及高低温保护等功 能，其中过充电保护、过放电保护以及过电流保护功能时锂电池 BMS 必备的功能，图二是基于 SH367003 系列芯片设计的 4 串锂电池保护系统，该系统为最简锂电池 BMS。
PACK+
CHG- PACK-
PC
Charge FET
2. 过放电保护 锂电池放电过程中，电芯电压低于下限电压时，电芯负极的金属集流体将被溶解，会大大缩
短电芯的使用寿命，且给电芯造成的损害往往是不可逆的。在极限情况下，给过度放电的电芯充 电时，金属集流体会在负极附近沉积，当沉积达到电芯正极时将造成电芯内部短路或者漏液。 BMS 进行过放电保护的动作类似于过充电保护，但很多 BMS 在电芯过放电保护后，为了防止锂 电池进一步过度放电，均会进入自身功耗降低模式。常见的过放电保护阈值精度为：±50mV。
动力锂离子电池一般都要几串、几十串甚至几百串以上，由于电池在生产过程中，从涂膜 开始到成为成品要经过很多道工序，即使经过严格的检测程序，使每组电源的电压、电阻、容量 一致，但使用一段时间以后，电池内阻、电压、容量等参数产生波动，形成不一致的状态，就会 产生这样或那样的差异。这种差异体现为电池组充满或放完时串联电池芯之间的电压不相同。这 种情况下导致电池组充电的过程中，电压过高的电池芯提早触发电池组过充电保护，而在放电过 程中电压过低的电池芯导致电池组过放电保护，从而使电池组的整体容量明显下降，整个电池组 体现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量，而且使用时很容易发生过充和过放现象， 且不易发现，导致提前失效。当前，相当一部分锂离子电池保护系统具备平衡功能，用以从具有 较高电压的电池抽取多余的电流，消耗多余的电量，实现电池均衡，最大限度地发挥动力锂电池 的效用，延长电池的使用寿命，增加安全性。
充电 MOS
放电 MOS
图二：基于 SH367003 的 4 串锂电池精简保护系统
1. 过充电保护 锂电池充电过程中，电芯电压超过上限电压时，过量的锂离子将从电池正极脱出，引起正极
晶格结构被破坏，导致电芯容量急剧变小。当电芯电压过高时，锂离子会沿着负极表面生长出树 枝状结晶，进而造成正负极短路发生爆炸。所以锂电池使用中，过充电是被严格禁止的。BMS 会监控系统中每节电芯电压，当电芯电压超过充电限制电压时，BMS 会关断充电回路从而保护 电池组。业内集成芯片过充电保护阈值电压的精度典型值为：±25mV。
随着锂电池应用领域的拓展，对纯保护功能的 BMS 的要求也越来越高，包括高低温保护甚 至平衡功能逐渐成为此类 BMS 的必备功能。图三是基于 SH367004 系列芯片设计的 10 串锂电池 保护系统，该系统具备平衡功能以及高低温保护功能。 4. 温度保护
电芯温度对锂离子电池性能的发挥具有重要影响，电池温度高时，电芯活性增加，能量能 够得到更加有效的发挥，但是高温下，锂离子电池正极晶格结构稳定性会变差，长期高温工作会 明显缩短电池寿命；相对而言，低温下锂电子电池活性下降，可用容量减小，能量利用率变低， 尤其是低温下充电容量将变得很低，同时可能产生安全隐患。较完善的锂电池保护系统，在电芯 温度超过预订的高温或是低于预订的低温，均会禁止电池组进行充放电，从而延长电池寿命，提 高容量利用率。 5. 平衡功能
Smart tool
CLK
SH79F329
SDO
SDI
Temp
Up to 24 Chips
SH79F329 Temp
CLK SDO SDI
CLK
SH79F329
SDO
SDI
Temp
CHG SH79F329 DSG
RS1 T RS2
Rsense
Discharge FET
图一：基于 SH79F329 的 16 串锂电池保护系统
3. 过流保护 电池都存在一定的内阻，当电池工作电流过大时，电池内部的发热明显增加，电池温度会升
高，从而导致电池的热稳定性下降，并形成正反馈。而且，锂离子电池的正负极的脱嵌锂离子的 能力是有限的，当电池的充放电电流大于电池的脱嵌能力时，将导致电池的极化电压增加，导致 电池的实际容量减小，严重时还会导致锂离子的淀积影响电池的安全性。锂离子电池保护系统会 根据电池组放电电流大小，选择不同的过流保护延时。较为常见的过流保护延时在 20mS 左右， 而短路保护延时则大多在 200~500uS 之间。