受環境和(hé)能源影(yǐng)響,目前全世界都在積極推動新能源汽車(chē),而新能源汽車(chē)又以純電(diàn)動汽車(chē)為(wèi)主。锂離子電(diàn)池具有(yǒu)高(gāo)能量密度、高(gāo)工作(zuò)電(diàn)壓、無記憶效應、循環壽命長、無污染、質量輕、自放電(diàn)小(xiǎo)等特點，因為(wèi)這些(xiē)優點锂離子電(diàn)池輕松的戰勝了鎳氫電(diàn)池，成為(wèi)了純電(diàn)動汽車(chē)的首選。目前，特斯拉、寶馬、奔馳、大(dà)衆及國內(nèi)的比亞迪、奇瑞、北汽等都推出了自己的純電(diàn)動汽車(chē)。這些(xiē)純電(diàn)動汽車(chē)中特斯拉使用了7100多(duō)隻锂電(diàn)池，而國産純電(diàn)動汽車(chē)因為(wèi)續航裏程短(duǎn)，所以電(diàn)池數(shù)量稍少(shǎo)，但(dàn)也達到了2000隻以上(shàng)。面對這麽多(duō)的電(diàn)芯，如何管理(lǐ)好他們的充放電(diàn)是一件很(hěn)複雜的事情，而這些(xiē)都是由電(diàn)源管理(lǐ)系統來(lái)完成的。
由于锂離子電(diàn)池的生(shēng)産工藝限制(zhì)，锂離子電(diàn)池單體(tǐ)之間(jiān)存在容量、電(diàn)壓、內(nèi)阻等等的不一緻，即使在同一批電(diàn)池中也會(huì)存在差異。另外，即使是電(diàn)池組在出廠的時(shí)候一緻性比較好，在以後的使用過程中，這種不一緻會(huì)随着電(diàn)池組的循環次數(shù)的增加而增加。
锂離子電(diàn)池組中，單體(tǐ)不一緻會(huì)造成電(diàn)池組無法發揮最大(dà)容量，而且會(huì)極大(dà)地縮短(duǎn)電(diàn)池組的使用壽命。另外，由于锂離子電(diàn)池的特殊性，在使用中如果發生(shēng)過充、 過放及過流等，會(huì)對電(diàn)池造成不可(kě)逆的損壞，甚至造成安全事故。所以，在锂離子電(diàn)池組用于電(diàn)動汽車(chē)之前，首先要解決的問題之一就是對電(diàn)池組的管理(lǐ)。
1、動力锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統研究現狀
早期的锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統一般隻具有(yǒu)監測電(diàn)池電(diàn)壓、溫度、電(diàn)流以及保護等簡單功能，随着锂電(diàn)池越 來(lái)越多(duō)地應用于大(dà)功率設備，如電(diàn)動汽車(chē)，對電(diàn)池管理(lǐ)系統的要求越來(lái)越高(gāo)，锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統的功能也越來(lái)越強。一般認為(wèi)，锂離子電(diàn)池組管理(lǐ)系統應具有(yǒu)以下 幾個(gè)功能：電(diàn)池組外部參數(shù)的檢測、電(diàn)池狀況判斷和(hé)剩餘電(diàn)量的估計(jì)、電(diàn)池組的充放電(diàn)控制(zhì)、電(diàn)池電(diàn)量均衡、提供與外部設備通(tōng)信的功能。目前電(diàn)池外部參數(shù)的檢測 技(jì)術(shù)己趨于成熟，現在锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統研究的重點是電(diàn)池剩餘電(diàn)量估計(jì)和(hé)電(diàn)池組的均衡。
1.1電(diàn)池外部參數(shù)的檢測
電(diàn)池外部參數(shù)的檢測主要包括電(diàn)池組中單體(tǐ)電(diàn)池電(diàn)壓、工作(zuò)電(diàn)流和(hé)電(diàn)池溫度的檢測。通(tōng)過這些(xiē)參數(shù)可(kě)以判斷電(diàn)池的工作(zuò)狀态。
1.1.1電(diàn)壓的檢測
在所有(yǒu)的電(diàn)池參數(shù)中，锂離子電(diàn)池的電(diàn)壓最能體(tǐ)現電(diàn)池的狀況。锂離子電(diàn)池過充過放的依據即是锂離子電(diàn)池的端電(diàn)壓，也可(kě)以通(tōng)過測量端電(diàn)壓初步估計(jì)锂離子電(diàn)池 的SOC。所以對锂離子電(diàn)池的電(diàn)壓進行(xíng)實時(shí)檢測是非常重要的。锂離子電(diàn)池組的檢測方法主要有(yǒu)四種。傳統的測試方法是用繼電(diàn)器(qì)和(hé)電(diàn)容做(zuò)隔離處理(lǐ)。
其測試原理(lǐ)是：首先通(tōng)過電(diàn)容對電(diàn)池電(diàn)壓進行(xíng)取樣，再通(tōng)過檢測電(diàn)容的電(diàn)壓就可(kě)以得(de)到電(diàn)池的電(diàn)壓。第二種方法是浮動地技(jì)術(shù)測量電(diàn)池端電(diàn)壓，測量時(shí)窗口比較器(qì) 自動判斷當前地電(diàn)位是否合适，如果正好，啓動A/D進行(xíng)測量，如果太高(gāo)或太低(dī)，則通(tōng)過控制(zhì)器(qì)經D/A對地，對電(diàn)位進行(xíng)浮動控制(zhì)。第三種方法是共模檢測法， 共模測量是相對同一參考點，利用精密電(diàn)阻等比例衰減測量各點電(diàn)壓，然後依次相減得(de)到各節電(diàn)池電(diàn)壓。第四種方法是差模檢測法，采用運算(suàn)放大(dà)器(qì)消除電(diàn)池兩端的 共模電(diàn)壓，完成對電(diàn)池電(diàn)壓的采樣。
第一種測量方法原理(lǐ)簡單，但(dàn)是檢測精度低(dī)，且檢測時(shí)間(jiān)長。浮動地技(jì)術(shù)測量由于地電(diàn)位經常受現場(chǎng)幹擾發生(shēng)變化，不能對地電(diàn)位進行(xíng)精确控制(zhì)，因此會(huì)影(yǐng)響整個(gè) 系統的測量精度。共模測量法電(diàn)路簡單，測量精度低(dī)，隻适合于串聯電(diàn)池數(shù)較少(shǎo)或者對測量精度要求不高(gāo)的場(chǎng)合。差模測量法精度比其他三種方法都好，如圖1所示 的差模檢測電(diàn)路，适用于12節以下的串聯電(diàn)池組。在電(diàn)池組單體(tǐ)電(diàn)池數(shù)量比較多(duō)的情況下，一般是以12節為(wèi)一個(gè)電(diàn)壓檢測模塊，再通(tōng)過總線把所有(yǒu)模塊連接在一 起。差模檢測電(diàn)路中，由于電(diàn)壓測量電(diàn)路漏電(diàn)流的影(yǐng)響，會(huì)造成電(diàn)池組靠近負極的電(diàn)池的電(diàn)量消耗過多(duō)，導緻電(diàn)池組的不一緻。
解決辦法：一是提高(gāo)檢測電(diàn)路的輸入阻抗；二是在檢測回路中加入控制(zhì)開(kāi)關；三是在電(diàn)池組合的過程中，可(kě)使靠近電(diàn)池組負極的電(diàn)池容量稍大(dà)于靠近正極的電(diàn)池容量，這樣有(yǒu)利于減少(shǎo)因電(diàn)壓檢測電(diàn)路所引起的電(diàn)池組的不一緻。
在實際工程應用中，還(hái)有(yǒu)一種方法是對每個(gè)電(diàn)池配置一個(gè)帶A/D轉換的單片機，或者電(diàn)壓檢測芯片，這些(xiē)單片機或者專用芯片由主控單片機統一控制(zhì)，檢測到的數(shù)據再通(tōng)過一個(gè)光耦隔離傳遞給主控單片機。目前也有(yǒu)一些(xiē)芯片廠商推出一些(xiē)專用于锂離子電(diàn)池組電(diàn)壓檢測的芯片，如Linear公司推出的LTC6802，可(kě)以對4～12節的锂離子電(diàn)池組進行(xíng)電(diàn)壓檢測，大(dà)大(dà)降低(dī)了電(diàn)壓檢測的複雜度。
1.1.2電(diàn)流和(hé)溫度的檢測
電(diàn)池組的工作(zuò)電(diàn)流和(hé)溫度也是電(diàn)池組一個(gè)重要的參數(shù)，可(kě)以通(tōng)過電(diàn)流判斷其是否出現過放和(hé)過流，還(hái)可(kě)以通(tōng)過計(jì)算(suàn)電(diàn)流與時(shí)間(jiān)的積分，估計(jì)電(diàn)池的SOC等。而檢 測電(diàn)池組的溫度主要為(wèi)了防止電(diàn)池組溫度過高(gāo)，防止發生(shēng)安全事故，檢測溫度一般是在電(diàn)池組中加入多(duō)個(gè)溫度傳感器(qì)，檢測電(diàn)池組中各個(gè)點的溫度。由于動力锂離子 電(diàn)池組的電(diàn)流往往比較大(dà)，電(diàn)流的檢測一般采用霍爾電(diàn)流傳感器(qì)。
1.2 SOC檢測
SOC（StateofCharge）的定義為(wèi)電(diàn)池組的荷電(diàn)狀态，也可(kě)以通(tōng)俗理(lǐ)解為(wèi)剩餘電(diàn)量。随着锂離子電(diàn)池組在電(diàn)動汽車(chē)中越來(lái)越多(duō)的應用，電(diàn)池組的SOC檢測對于電(diàn)動汽車(chē)的運行(xíng)極其重要，SOC決定了電(diàn)動汽車(chē)的續航裏程。由于電(diàn)池組的特殊性，電(diàn)池組的SOC受諸多(duō)因素影(yǐng)響，包括工作(zuò)電(diàn)流、溫度、自放電(diàn)以及電(diàn)池組的循環次數(shù)等，所以檢測比較困難。
1.2.1 SOC檢測的現狀
SOC的檢測方法目前應用較多(duō)的有(yǒu)開(kāi)路電(diàn)壓法、庫侖計(jì)量法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法等等。開(kāi)路電(diàn)壓法是目前最簡單的方法，根據電(diàn)池的特性得(de)知，開(kāi)路電(diàn)壓和(hé) 電(diàn)池的容量存在一定的函數(shù)關系，當得(de)知電(diàn)池的開(kāi)路電(diàn)壓，就可(kě)以初步估算(suàn)電(diàn)池的SOC。這種方法在充電(diàn)初期和(hé)末期效果比較好，缺點在于精度不高(gāo)，而且隻适用 于靜态檢測，不适合在線檢測。
內(nèi)阻法和(hé)開(kāi)路電(diàn)壓法一樣，也是利用電(diàn)池內(nèi)阻和(hé)電(diàn)池的電(diàn)量存在的一定的函數(shù)關系來(lái)判定電(diàn)池的SOC，一般用 于鉛酸電(diàn)池和(hé)氫鎳電(diàn)池。锂離子電(diàn)池組內(nèi)阻的在線測量包括了接觸電(diàn)阻以及單體(tǐ)電(diàn)池的輪換選擇，因此內(nèi)阻測量誤差較大(dà)，而由于锂離子的整個(gè)循環過程中內(nèi)阻變化 不大(dà)，所以靠內(nèi)阻來(lái)判斷锂離子電(diàn)池組的SOC準确性也比較差。
庫侖計(jì)量法是通(tōng)過計(jì)算(suàn)電(diàn)池組電(diàn)流與時(shí)間(jiān)的積分，計(jì)算(suàn)锂離子電(diàn)池組充入和(hé)放 出的電(diàn)量，再與電(diàn)池的額定電(diàn)量比較即可(kě)得(de)知電(diàn)池組的SOC。此方法簡單、穩定、精度也相對比較好。但(dàn)這種方法是建立在對電(diàn)流精确測量的基礎上(shàng)的，電(diàn)流測量 的誤差直接影(yǐng)響SOC的計(jì)算(suàn)，而且會(huì)出現累計(jì)誤差[18]。另外，受锂離子電(diàn)池在低(dī)溫下和(hé)大(dà)電(diàn)流下的放電(diàn)效率下降及自放電(diàn)等影(yǐng)響，進一步降低(dī)了SOC的檢 測精度。所以庫侖計(jì)量法的關鍵在于後期的校(xiào)正。
1.2.2 SOC檢測的發展趨勢
在目前的應用中，對SOC精度要求 比較低(dī)的管理(lǐ)系統一般可(kě)以采用簡單的開(kāi)路電(diàn)壓法，而對SOC精度要求比較高(gāo)的系統，比較好的選擇是庫侖計(jì)量法。庫侖計(jì)量法的關鍵是後期的校(xiào)正，目前常用的 方法是采用電(diàn)壓校(xiào)正，與開(kāi)路電(diàn)壓法相結合，檢測精度有(yǒu)所提高(gāo)。目前研究的神經網絡或者卡爾曼濾波法等，考慮一些(xiē)電(diàn)池組循環變化、電(diàn)池老化、溫度等影(yǐng) 響，SOC的檢測精度會(huì)進一步提高(gāo)。但(dàn)是神經網絡和(hé)卡爾曼濾波法的算(suàn)法複雜，目前還(hái)未得(de)到具體(tǐ)的應用。
目前實現電(diàn)池SOC的芯片很(hěn)多(duō)， 比如TI的BQ27Zxxx系列、BQ2060，MAXIM的DS2786、DS2781/2788等。除了TI的BQ27Zxxx是采用阻抗跟蹤法之 外，其他都是采用的庫侖計(jì)量法。不過這些(xiē)芯片一般都是用于筆記本電(diàn)腦(nǎo)等精密便攜式産品當中，在動力锂離子電(diàn)池組的SOC檢測方面還(hái)未出現類似的專用芯片。
1.3電(diàn)池組的均衡
電(diàn)池組中各個(gè)單體(tǐ)電(diàn)池之間(jiān)存在電(diàn)壓、內(nèi)阻和(hé)容量等的差異，而且電(diàn)池組經多(duō)次循環之後這差異會(huì)更加明(míng)顯。造成這種差異主要原因有(yǒu)：（1）锂離子電(diàn)池制(zhì)作(zuò)工藝限制(zhì)，即使同一批次的電(diàn)池也會(huì)出現不一緻；（2）電(diàn)池組中單體(tǐ)電(diàn)池的自放電(diàn)率不一緻；（3）電(diàn)池組使用過程中，溫度、放電(diàn)效率、保護電(diàn)路對電(diàn)池組的影(yǐng)響。
可(kě)以通(tōng)過工藝的方法，降低(dī)電(diàn)池間(jiān)的差異，消除這種差異，也可(kě)以在遴選電(diàn)池的時(shí)候選擇一緻性比較好的電(diàn)池，把一緻性好的電(diàn)池配組在一起，使組合後的電(diàn)池組 平均放電(diàn)容量達到單體(tǐ)電(diàn)池最小(xiǎo)平均放電(diàn)容量值。除了這兩種方法還(hái)可(kě)以使用均衡電(diàn)路使電(diàn)池組的電(diàn)池保護一緻。電(diàn)池組的均衡一般是以電(diàn)壓均衡為(wèi)目标，輔之以電(diàn) 量的均衡。
1.3.1電(diàn)池組均衡的現狀
目前锂離子電(diàn)池均衡管理(lǐ)的方法可(kě)以分為(wèi)耗能型和(hé)非耗能型。耗能型是将電(diàn)池組中電(diàn)壓高(gāo)于平均電(diàn)壓的電(diàn)池釋放一部分能量，使其電(diàn)壓接近平均值。而非耗能型是在單體(tǐ)電(diàn)池之間(jiān)或者單體(tǐ)電(diàn)池與整個(gè)電(diàn)池組之間(jiān)進行(xíng)能量交換或者能量轉移。
耗能型是通(tōng)過在單體(tǐ)電(diàn)池并聯一個(gè)功率電(diàn)阻和(hé)一個(gè)開(kāi)關進行(xíng)分流，将電(diàn)池組中電(diàn)壓高(gāo)的單體(tǐ)電(diàn)池多(duō)餘的能量釋放，達到電(diàn)池組電(diàn)壓均衡，如圖2所示。這種均衡方法簡單、穩定，缺點是存在能量的浪費、均衡時(shí)間(jiān)長和(hé)散熱的問題，一般隻用于充電(diàn)狀态下的均衡。
由于其簡單可(kě)靠，所以目前锂離子電(diàn)池組使用最多(duō)的就是這種均衡方法。
由于耗能型均衡在能量利用方面的缺陷，又發展了非耗能型的均衡方法。非耗能型均衡方式一般是使用儲能元件轉移能量使電(diàn)池組電(diàn)壓保持一緻，這種方式均衡電(diàn)流大(dà)、均衡效率高(gāo)，但(dàn)是電(diàn)路、控制(zhì)都比較複雜。可(kě)分為(wèi)能量轉換均衡和(hé)能量轉移式均衡兩種。
能量轉換式均衡是通(tōng)過反激轉換器(qì)由锂離子電(diàn)池組整體(tǐ)向單體(tǐ)電(diàn)池進行(xíng)補充或者由單體(tǐ)電(diàn)池向電(diàn)池組進行(xíng)補充。由此能量轉換均衡方式可(kě)分為(wèi)兩種，可(kě)以分為(wèi)上(shàng)限 均衡和(hé)下限均衡。所謂上(shàng)限均衡就是當電(diàn)池組中某個(gè)電(diàn)池的電(diàn)壓高(gāo)于平均電(diàn)壓時(shí)，通(tōng)過變壓器(qì)把這個(gè)電(diàn)池多(duō)餘的能量反饋到整個(gè)電(diàn)池組上(shàng)去。而下限均衡是當某個(gè)電(diàn) 池的電(diàn)壓低(dī)于平均電(diàn)壓時(shí)，通(tōng)過變壓器(qì)把能量從電(diàn)池組轉換到指定的電(diàn)池上(shàng)去。由于同軸線圈存在一定的能量損失，造成均衡效率降低(dī)，同時(shí)也造成均衡電(diàn)路體(tǐ)積 大(dà)，線圈繞組較難控制(zhì)。
能量轉移式均衡是通(tōng)過使用儲能元件把能量從電(diàn)壓高(gāo)的電(diàn)池轉移到電(diàn)壓低(dī)的電(diàn)池。這種方式可(kě)以使用開(kāi)關電(diàn)容來(lái)實現， 由電(diàn)容傳遞相鄰電(diàn)池的能量，将電(diàn)荷從電(diàn)壓高(gāo)的電(diàn)池傳到電(diàn)壓低(dī)的電(diàn)池，達到均衡。這種方法的缺點在于控制(zhì)複雜，無法用于數(shù)量多(duō)的電(diàn)池組，由于電(diàn)池組中兩個(gè)電(diàn) 池的壓差比較小(xiǎo)，造成電(diàn)容充放電(diàn)的時(shí)間(jiān)過長，從而造成均衡的時(shí)間(jiān)過長，這種方法也稱為(wèi)飛渡電(diàn)容法。能量轉移式也可(kě)以使用電(diàn)感來(lái)實現，由電(diàn)感及開(kāi)關器(qì)件組成 DCDC變換器(qì)，實現兩個(gè)電(diàn)池間(jiān)電(diàn)量的轉移，如圖3所示。這種方法的優點在于電(diàn)量轉移效率高(gāo)，通(tōng)常能達到80%以上(shàng)，且均衡的時(shí)間(jiān)短(duǎn)；其缺點在于隻能在相 鄰兩電(diàn)池之間(jiān)進行(xíng)電(diàn)量轉移，對于非相鄰的電(diàn)池需要進行(xíng)多(duō)次電(diàn)量轉移，在兩電(diàn)池相距較遠的時(shí)候，電(diàn)量轉移效率下降較快，所以這種均衡方法需要一個(gè)比較好的算(suàn) 法，協調整個(gè)電(diàn)池組的均衡，避免對兩個(gè)相距較遠的電(diàn)池進行(xíng)電(diàn)量轉移。
還(hái)有(yǒu)一種基于總線的均衡方式，均衡單元把電(diàn)壓高(gāo)的電(diàn)池多(duō)餘的能量通(tōng)過DCAC變換，再通(tōng)過變壓器(qì)耦合，傳遞到總線上(shàng)，然後再通(tōng)過ACDC模塊把電(diàn)量充入電(diàn)壓低(dī)的電(diàn)池，這種方式傳遞的效率較高(gāo)，易于模塊化，适合串聯數(shù)量比較大(dà)的電(diàn)池組，但(dàn)是成本比較高(gāo)。
1.3.2電(diàn)池組均衡的發展趨勢
在均衡方法上(shàng)，由于耗能式均衡存在能量浪費問題，不符合節能減排的政策，所以在動力锂離子電(diàn)池應 用上(shàng)，耗能式均衡未來(lái)将會(huì)被非耗能式均衡所取代。但(dàn)是非耗能式均衡也存在電(diàn)路結構複雜，成本高(gāo)，均衡等問題，這也是亟待解決的問題。用于動力锂離子電(diàn)池組 的均衡方法，應朝大(dà)電(diàn)流、高(gāo)效率方向發展，在均衡的控制(zhì)策略上(shàng)，應該采取智能化均衡算(suàn)法，把電(diàn)壓的均衡和(hé)容量的均衡結合起來(lái)，使均衡更加精确。
2、動力锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統的發展趨勢
（1）高(gāo)度集成化，随着锂離子電(diàn)池越來(lái)越多(duō)地應用于功率設備，對串聯的電(diàn)池數(shù)量要求越來(lái)越高(gāo)，串聯電(diàn)池數(shù)量的增加會(huì)增加電(diàn)池管理(lǐ)系統的複雜度，提高(gāo)管理(lǐ) 系統的集成度可(kě)以降低(dī)電(diàn)路的體(tǐ)積、功耗、成本等。目前有(yǒu)很(hěn)多(duō)芯片廠商也推出了一些(xiē)锂離子管理(lǐ)芯片，比如比亞迪微電(diàn)子的BM309/310，可(kě)以對四串锂離 子電(diàn)池進行(xíng)管理(lǐ)，也可(kě)以級聯對數(shù)量更多(duō)的電(diàn)池組進行(xíng)管理(lǐ)。還(hái)有(yǒu)凹凸科技(jì)OZ890，可(kě)以提供對13串電(diàn)池的管理(lǐ)，也可(kě)以級聯。這些(xiē)芯片都大(dà)大(dà)降低(dī)了锂離子 電(diàn)池管理(lǐ)系統的複雜度。
（2）均衡方式向非耗能式均衡變化，減少(shǎo)均衡時(shí)間(jiān)，提高(gāo)均衡效率，采取更加智能的均衡策略，使均衡更加精确。
（3）采用分布式模塊化設計(jì)，可(kě)以級聯，方便擴展，方便構成大(dà)型的锂離子電(diàn)池組。
（4）在大(dà)功率的應用場(chǎng)合，與系統其他設備緊密結合（如充電(diàn)設備、電(diàn)機控制(zhì)設備）相互協調。
（5）低(dī)功耗，減少(shǎo)管理(lǐ)系統的能量消耗，提高(gāo)電(diàn)池組的能量利用率。
（6）電(diàn)池組過充過放保護應考慮內(nèi)阻的因素，而不僅僅考慮單體(tǐ)電(diàn)池端電(diàn)壓，使保護更加精确，充分發揮電(diàn)池的容量。
锂離子電(diàn)池由于其相對于其他電(diàn)池的諸多(duō)優勢，已經成為(wèi)電(diàn)動汽車(chē)的能量來(lái)源候選之一。但(dàn)是由于锂離子本身的特性，需對其進行(xíng)安全管理(lǐ)。本文介紹了锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統中電(diàn)池外部參數(shù)檢測、SOC估計(jì)和(hé)電(diàn)池組的均衡現狀，并介紹了其發展趨勢，也對動力锂離子電(diàn)池管理(lǐ)系統發展方向做(zuò)出了展望。
