1、河北工业大学 硕士学位论文 动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 姓名：崔志强 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李练兵 20081201河北工业大学硕士学位论文 i 动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 摘 要 随着电动车辆的迅速发展，对电池能源的要求越来越高。作为电动车关键技 术之一的电池管理系统（BMS）研究变得越来越重要。锂离子电池以其自身独特 的优势成为未来最重要的动力电池之一。 本文深入地研究锂离子电池电动汽车的 动力电池管理系统，提出了合理的系统设计思想与实现方法。 首先，分析锂离子电池的工作特性以及对电池的安全性进行研究，并根据这 些特性设计了电池管理系统
2、硬件电路。其中包括状态参数检测、安全保护、显示 以及通信等电路。 然后， 针对串联电池组在使用过程中出现的单体电压不一致现象进行分析研 究，设计完成了基于变压器的能量回收型电池组均衡电路，基本实现了消除串联 电池组在充放电过程中出现的单体电压不均衡的现象并节省了电池电能。 最后，对锂离子电池的剩余容量（SOC）的影响因素及估算方法作了深入研 究，并提出了基于开路电压法与安时法相结合，实时跟踪电池直流内阻的方法来 估算电池剩余容量(SOC)，并进一步提出了可用剩余电能的概念，使得对电池的 可用电能的估算更加合理。 本课题的研究在理论和实践中都取得了很大的进展， 对于进一步研究电池管 理系统具有重
3、要的意义。 关键词：锂离子电池；电池管理；安全性；电池组均衡；剩余电量（SOC） 动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 ii DESIGN AND STUDY ON POWER LITHIUM-ION BATTERY MANAGEMENT SYSTEM ABSTRACT With the fast development of the electric vehicle, the requirement to the battery technology is higher and higher. Lithium-ion battery has been the most important p
4、ower battery of the future because of its own unique advantages. So the management of the battery working state is also more and more important. The paper has deeply studied the traction battery management system of fuel cell electrical vehicles and the logical design thoughts and realized methods h
5、ave been put forward. First of all, the characteristic of the lithium-ion battery and the security of battery have been analyzed. On the basis of these, the hardware circuit of battery management system has been designed, including the detection circuit parameters, protection circuit, communication
6、circuit, as well as display circuit. Then, the phenomenon of voltage unbalanced of the batteries has been analyzed. The balanced circuit of energy recovery which based on the transformer has also been designed. The imbalance of battery in series in the process of charge or discharge was eliminated b
7、asically and the power of battery was to saved. Finally, A in-depth research about the impact of factors was taked and the estimated methods of the remainder of the state of charge(SOC), and based on combining the method of the open circuit voltage and Ah , and use the method of real-time tracking t
8、he battery DC resistance to estimate the remaining battery capacity ( SOC), estimates that the method is relatively accurate, and can be used to further put forward the concept of surplus power made available to the battery power of a more reasonable estimate. The study of the task has made great pr
9、ogress in theory and practice, and has important significance to deeply study battery management system. KEY WORDS: lithium-ion battery; battery management; security; state of charge 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1-1 动力电池产业发展的背景与现状 随着我国经济的飞速发展和汽车保有量的高速增长，人们环保意识也在不断增强，对提高城市空气 质量的愿望和要求非常强烈，减少汽车尾气污染已成为一项极为迫切的任
10、务。由于原油价格飞涨，使得 传统汽车的使用成本增加，若按照目前的汽车增长速度发展下去，所造成的能源匮乏将会制约我国的经 济发展。因此，从环保和节能的角度看，发展清洁无污染的电动交通工具将是交通业的一个突破口。 电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车，目前主要有纯电动汽车（EV，Electric Vehicle）、混 合电动车（HEV，Hybrid Electric Vehicle）和燃料电池汽车（FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle）三种类 型。 纯电动汽车可实现零排放，彻底解决汽车尾气污染问题。混合电动车具备了传统汽车和电动汽车的 优点，电动机可补充提供车辆起步、加
11、速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机的富余功率和车辆制动能 量，可降低油耗，减少污染物排量。 燃料电池汽车把化学能转化为电能，效率是普通内燃机热效率的数倍。 与纯电动汽车相比，混合电动车在价格、行驶距离、汽车改型等方面有较大的优势，已成为各个国 家近期发展的重点 1 。 然而，同燃油汽车相比，电动汽车一方面以其无污染、低噪声在交通方面满足人们追求健康生活方 式的要求，另一方面面对有限且日益枯竭的石油资源，它可以利用火力、风力、水力、太阳能、核能等 其它形式的电力资源，从而起到节约能源的作用。推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初 始价格，电源是电动汽车发展的瓶颈 2 3 ，如果电源问题得
12、到妥善的解决，电动汽车的产业化经营具有 广阔的发展前景，电动汽车的社会化在不远的将来一定会实现。 电动汽车上常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。 铅酸蓄电池，它的技术比较成熟，可靠性好、原材料容易得到且价格便宜、比功率基本上能满足电 动汽车的动力性能要求。它的不足是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大， 增加了汽车的自重和自身功率消耗，另外它的寿命短，使用成本较高。 镍氢蓄电池的优点很多，其高比能量与锂离子电池相当；高比功率可使电动车有良好的启动、加速 和爬坡性能，它的平均寿命可达 300 至600 次，而且因其安全、无污染，被誉为“绿色电源”。现在，
13、 日本、美国及我国都在积极开发研制镍氢电池，我国的镍氢电池技术也处于国际先进水平。它是电动汽 车发展中期的主要能源，具有很大的发展前景。 燃料电池，能高效率的把燃料转化为电能，工作安静，但它现在的应用技术尚未成熟，需要进一步 的提高，还有一定的安全问题和价格问题。 锂离子电池出现在 90 年代初期，它基本上解决了蓄电池的两个技术难题，即安全性差和充放电寿 命短的问题。同时锂离子电池具有高的电池单体电压、高的比能量和能量密度，是当前比能量最高的电动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 2 池。随着锂离子电池的产业化发展，其成本也在不断的下降，锂离子电池以其无可比拟的优越性能，成 为了未来动力电池的
14、首选。与其它类型电池相比，锂离子电池的性能具有明显优势。（见表 1.1） 表 1.1 几种动力电池性能比较表 4Table1.1 Several battery performance 电池类型 工作电压 /V 能量密度 (Wh/Kg) 循环寿命/ 次 充电时间 /h 月自放电 /% 价格/美元 产业化年 份 密封铅酸 2.0 30 200-500 8-16 5 0.8-1.7 1970 Cd/Ni 1.2 60 500 1.5 20 1 . 2 1950 MH/Ni 1.2 70 500 2- 4 30 6 1990 锂离子 3.6 100-150 500-1000 3- 4 10 2.7
15、1991 2002-2007年中国锂离子电池产量（单位：百万） 272 446 650 872 1051 1360 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2002 2003 2004 2005 2006 2007图 1.1 2002-2007 年中国锂离子电池产量 Fig.1.1 2002-2007 Chinese lithium-ion battery production 锂离子电池的结构如图 1.2 和图 1.3 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径， 目前应用性能较好的正极材料是 具有高
16、插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如Li x CoO 2 ，Li x NiO 2 以及尖晶石结构的 LiMn 2 O 4 等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V 以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C 6 ，其 电解质一般采用溶解有锂盐LiPF 6 、LiAsF 6 等的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石 墨) 、正极氧化钴锂(LiCoO 2 )和有机电解液三部分组成。 锂离子电池的电化学表达式 4 ： 正极反应： + 21 - x 2 LiMO Li MO xLi +xe + 充电 放电负极反应： + xn nC+xLi +xe Li C 充电 放电河
17、北工业大学硕士学位论文 3 电池反应： 21 - x 2 x n LiMO +nC Li MO +Li C 充电 放电（1-1） 式中：M = Co、Ni、Fe、W等。 图 1.2 锂离子电池结构示意图 图 1.3 圆柱形锂离子电池结构图 Fig.1.2 Structure of lithium-ion battery Fig.1.3 The cylindrical structure of lithium-ion battery 锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池， 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。 充电时， Li + 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫
18、锂态；放电时则相反，Li + 从负 极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极 的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li + 分别在正负极上发生“嵌 入-脱嵌”反应，Li + 便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池 （Rocking-Chair Battery） ”或“摇摆电池 (swing battery)” 。 锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池， 它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两 个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在
19、两种 电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极， 采用一种有机溶剂无机 盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。 因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一 个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。 在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。 1-2 锂离子电池主要性能参数 锂离子电池的额定电压为3.6V（少数的是3.7V） 。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关： 石墨的4.2V；焦炭的
20、4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在1之内。锂离子电池的终止放电电压 为2.42.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同） 。高于终止充电电压及低于 终止放电时会对电池有损害。 其使用有一定要求：充电温度：045；保存温度：-20+60。锂离子电池不适合大电流 充放电。一般充电电流不大于1C，放电电流不大于2C（C是电池的容量，如C=950mAh，1C的充电率即充动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 4 电电流为950mA） 。 充电、放电在20左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差 5 ， （在-20放电效果最差， 不仅放电电压低，放电时间比20放电时的一半还
21、少） 。 1、电压 开路电压=电动势+电极过电位，工作电压=开路电压+电流在电池内部阻抗上产生的电压降。电动势 由电极和电解质材料特性决定，电极的过电位与材料活性、荷电状态和工况有关。 2、 温升 电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。多数锂电池充电时属吸热反应，放电时为放热反 应，两者都包含内阻热耗。充电初期，极化电阻最小，吸热反应处于主导地位，电池温升可能出现负值， 充电后期，阻抗增大，释热多于吸热，温升增加。 3、荷电程度 电池还有多少电量，又称剩余电量，常取其与额定容量或实际容量的比值，称荷电程度。是人们在 使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据，人们试图通过测量内阻、电压电流
22、的变化等精确推算荷 电量，做了许多研究工作，但目前所用的公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度 总是非线性变化。 4、 容量 电池在充足电以后，开始放电直到放空电为止，能输出的最大电量。容量与放电电流大小有关，与 充放电截止电压也有关系，故容量定义为小时率容量，动力电池常用1小时率（1C）或2小时率(0.5C) 容量。电池在化成之前材料的活性不能正常发挥，容量很小，化成过程开始后，电池进入其生命期，在 整个生命期里，电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面，初期活化作用处于主导地位，电池容量 逐渐上升，以后，活化和劣化作用都不明显或相当，后期，劣化作用显著，容量衰减，规定容量衰
23、减到 一定比例(60%)后，电池寿命终结。 1-3 锂离子电池的充放电特性 以单体电池为动力源如移动电话，电源管理技术已经十分完善，但在电池组中，单体之间的差异总 是存在的，以容量为例，其差异性永不会趋于消失，而是逐步恶化的。组中流过同样电流，相对而言， 容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于大电流过充过 放、趋于容量衰减加快、寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量提前失 效，组寿命缩短，因此在充放电特性分析中就必须包含过充电和过放电过程。 1、充电特性 根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的充放电
24、特性。它 的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。 充电开始为恒流充电阶段，电池的电压较低，充电的电流基本不变，充电的速率一般为 1C( C充 电电流电池容量） ，对于 500mAh 的电池即为 500mA 的充电电流，随着充电的继续进行，电池的电压逐 渐上升，当单体电池的电压升到 4.1V（或4.2V ）时，充电器立即转入恒压充电；恒压充电时，单体锂 离子电池的充电电压必须严格保持在 4.1V 士50mV ，若充电电压超过 4.5V，可能造成锂离子电池的永河北工业大学硕士学位论文 5 久性破坏，此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进人 涓流充电阶段；涓
25、流充电也称维护充电。在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电 荷，最后使电他处于充足状态，用这种方法，第一个小时可充入电池额定容量的 80%，两小时后电池即 可充到额定容量。 电池充电终止的检测方法是判断充电电流，当充电电流降到某一定值时终止充电，例如充电电流降 到 40mA（典型值为起始充电电流的 5左右）时终止充电，也可以在检测到电池电压达到 4.2V 时启动 定时器，在一定的延时后终止充电。 图1.4是25室温下锂离子电池充电特性曲线图。由图1.4可以看出：充电电流愈小，电极的极化愈 小，则恒流充电容量愈高。电池1.0 C的恒流充电容量可达额定容量的85%以上，具有良好的充
26、电性能。 U/V 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 0 1 2 3 4 5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Current rate /C a 2.0C b 1.0C c 0.5C d 0.2C a b cd图1.4 锂离子电池充电特性曲线图 Fig.1.4 The curve Lithium-ion charge battery characteristics 2、过充电 串联电池组充电时总有单体电压较高者，相对组内其它电池已经进入过充电阶段（即充电电压超过 4.2V）。过充电时，若在恒流阶段发生，由于电流强度大，电压、温升、内压持续升高，以4V锂为例， 电压达
27、到4.5V时，温升40度、塑料壳体变硬，4.6V时温升可达60度、壳体形变明显并不可恢复，恒压阶 段，电流强度较小，过充症状不如恒流阶段显著。过充电加速电池容量衰减、导致电池失效。 3、放电特性 锂离子电池的放电特性比较简单，如图1.5所示： 一般，锂离子电池放电起始电压为4.1V或4.2V，放电终止电压约为2.5V，放电终止时，电池电压应 不得低于2.2V，否则将造成电池的永久性损坏，此外锂离子电池的放电电流也不应过大，放电电流一般 不应超过3C，否则也会减少电池的使用寿命。 需强调的一点是：不同的放电速率放出锂离子电池额定容量的程度也不同。如 0.2C (100mA)的放 电速率，可放出全
28、部额定容量，而采用 1C (500mA）的放电速率，只能放出额定容量的 90。 从图1.5还可以看出：电池的放电倍率愈小，放电容量愈高，3.6V电压平台效率愈高，说明低电流 放电有利于改善电池的循环寿命。 锂离子电池放电完毕，可通过对照放电特性曲线图，测量电池两端的电压来判断。 动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 6 4.1 3.6 3.1 2.6 2.1 0 1 2 3 4 5 6 U/V t/h 1.0C 0.5C 0.2C 2.0C 图1.5 锂离子电池放电特性曲线图 Fig.1.5 The curve Lithium-ion charge battery characteristic
29、s 4、过放电 考虑串联电池组内单体电池，必有相对的过放电情况。在放电后期，电压接近马尾曲线，组中单体 容量正态分布，电压分布很复杂，容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快，若这时其它电池电压降 低不是很明显，小容量单体电压跌落情况被掩盖，电压低于 2.2V，已经被过度放电。 观察单体过放情况，进入马尾曲线以后，若电流持续较大，电压迅速降低，并很快反向，这时电池 被反方向充电，或称被动放电，活性物质结构被破坏，一次反充电足以使电池报废。 为防止锂离子电池被过放电，须设置放电截止电压，防止负极析出金属锂枝晶，这是由于锂离子电 池尽管采用了能够形成SEI膜的碳素材料为负极， SEI膜的形成消除了锂
30、枝晶的生长条件，降低了电池过 热或短路的机会，但并没有完全消除电池的安全性问题。 1-4 电池管理系统的研究现状 电池管理就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余容量，同时对电池 进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态。一般而言电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能。 (1)准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即 SOC)，从而随时预报混合动力汽车储能电池 还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使电池的SOC值工作范围控制在30%-70%。 (2)动态监测动力电池组的工作状态：即实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、 充放电电流以及电
31、池包总电压。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电 池的电压、电流和温度数据都要进行监测。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电 池过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常 工作。建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为 离线分析系统故障提供依据。 (3)电动汽车动力电池组的热平衡管理：电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能 是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。 电池热管理的重点是通 过分析传感器显示的温度和热源的关系，
32、确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置，使电池箱具有有 效地热平衡与迅速散热功能，通过温度传感器测量自然温度和箱内电池温度，确定电池箱体的阻尼通风 孔开闭大小，以尽可能的降低功耗。 河北工业大学硕士学位论文 7 电池管理系统(BMS)是电动汽车中越来越重要的关键部分，但是我国在这方面的研究刚刚起步，即 使在美国等汽车工业发达国家，其研制工作也不完善。从有关资料来看，美国一直站在世界汽车技术领 域的最前列，在混合动力电动汽车的电池管理系统的研究方面也走在世界各国的前列。通用汽车公司的 BMs采用了一个微电脑，对电池组进行管理。监测和控制蓄电池组的充放电工作状态，提高电池的充放 电性能，预测蓄电池
33、组的荷电状态和剩余能量。 在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国电动车电池能量管理系统的主要功能为：电池寿命 的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、剩余电量显示。它防止对电池的有害使 用，收集电池信息从而确定如何恰当使用和更换电池，最大限度地提高电池的能量使用效率。在德国， 西门子公司开发的电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电，提高充电效 率，节约电能。电池管理系统对电池组的工作状况进行监控，检测电池组的电量消耗和剩余能量等，将 有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置上。通过DC-DC变换器保证电器系统的能源供应和器件正常 运行。在日本，本田公司开
34、发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模块、车载充电器、惯性控制开 关、高压系统安全检测装置、DC-DC变换器等。如果电动汽车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保 证用电安全 6 。 我国对电动车的发展十分重视， 在 “十五” 规划中被列为国家高科技攻关项目， 同时被列为国家 “863“ 科技攻关项目。 其中清华大学和北京理工大学以及北方交通大学都对电动汽车的电池管理系统进行了研 究。其中北方交通大学开发的电池管理系统包括：单只电池的监测、整车蓄电池充放电电流检测、均衡 充电、准确预估SOC值、故障报警、通讯以及显示等。经过试验，取得非常满意的效果。因而，对电动 汽车电池管理系统研究的要点是如何
35、掌握蓄电池组中每个电池单元的状态，并据此对蓄电池进行管理， 合理分配系统进出能量以保持蓄电池的一致性，提高整个蓄电池组的寿命，平滑瞬时电流的冲击，提高 能量利用效率，从而提高电动车的整车性能。 目前，在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于： （1）电池单体高效率长寿命均衡管理系统：实现锂离子电池均衡充放电是电池管理的核心问题之 一，串联电池组充电时总有单体电压较高者，相对组内其它电池已经进入过充电阶段（即充电电压超过 4.2V）。过充电时，若在恒流阶段发生，由于电流强度大，电压、温升、内压持续升高，以 4V 锂为例， 电压达到 4.5V 时，温升40 度、塑料壳体变硬，4.6V 时温升可达
36、60 度、壳体形变明显并不可恢复，恒 压阶段，电流强度较小，过充症状不如恒流阶段显著。过充电加速电池容量衰减、导致电池失效。放电 时，特别是在在放电后期，电压接近马尾曲线，组中单体容量正态分布，电压分布很复杂，容量最小的 单体电压跌落得也就最早、最快，若这时其它电池电压降低不是很明显，小容量单体电压跌落情况被掩 盖，电压低于 2.2V，已经被过度放电。均衡管理即要避免过充过放的发生。目前采用的均衡方法分为 充电单向平衡和充放电双向平衡，目前普遍采用的能量消耗法不能够适应大功率单体均衡的要求，必须 采用能量回馈的新型均衡电路。 （2）锂离子电池的安全问题是困扰动力型锂离子电池大规模应用的重要因素
37、之一。由于化学性的 活泼和可燃物质的析出，锂离子电池过充和过放电以及温度上升都易导致燃爆的发生。因此必须实时监 测温度异常升高的现象，对温度的变化趋势进行判断，确保电池组的安全性。 （3）精确的电池残存容量估计（SOC） ：锂离子电池对充电器要求比较苛刻，需要保护电路，要求动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 8 充电方式是恒流恒压；这就要求较高的控制精度。除此之外，在许多场合都需要电池提供剩余电量、估 计供电时间等信号，从而使控制器全面掌握电池状态，决定控制策略，提高系统运行可靠性。但电池的 剩余电量受多个因素影响，它与电池的放电电流、温度、电池充放电循环次数等参数有直接关系，表现 出极大的
38、非线形特性。 1-5 课题研究意义以及内容 1、课题研究的意义 能源枯竭和环境污染已经成为当前社会急需解决的问题。电动汽车以其独特的节能环保的优势引 起越来越多的国家的重视。在电动汽车的研究和发展上，车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重 要的位置。如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命是电池管理系统研究的关键部分。本课题所研 究的电池管理系统不仅可以估算剩余电量SOC，保 证 SOC维持在合理的工作范围内，防止由于过充电或 过放电对电池的损伤，提高电池使用寿命，而且可以对故障电池做出早期预测，防止因单体电池损坏而 未能及时发现造成的整组电池寿命降低，从而降低电动汽车运用成本，提高车辆效率
39、。 2、课题研究的内容 （1） 、研究动力锂离子电池组安全特性，设计安全保护电路以确保及时抑制温度异常升高的现象， 对温度的变化趋势进行实时监测、判断和处理，确保电池组工作在安全状态。 （2） 、设计动力锂离子电池组管理系统的硬件电路，包括电压、电流、温度检测电路，以及数字显 示、通信等电路，并编写程序，运用单片机对电池组各状态参数进行判断处理以及控制显示、通信等外 围电路。 （3） 、研究动力电池组充放电均衡技术，并设计能量回收型电池组均衡电路以消除电池组在充放电 过程中出现的单体电压不一致现象，提升电池组的使用性能及其延长使用寿命。 （4） 、研究锂离子电池的剩余容量（SOC）的影响因素及
40、估算方法，并提出准确而实用的剩余容量 (SOC)计算方法。 河北工业大学硕士学位论文 9 第二章 锂离子电池安全性分析 2-1 锂离子电池安全性概述 锂离子电池因其高能量密度及采用有机易燃电解液体系，当发生误用或滥用时，在一定条件下引 发热失控，会引起不安全事故。特别对于动力电池系统的电池组，若各单体处于非均衡状态，则对某一 特定单体电池，无异于处于滥用状态，该单体电池的不安全可能引起整个电池组的不安全。因此对电池 体系的安全性研究已成为当前锂离子电池领域的研究热点。 锂在元素周期表中是最轻的金属元素，原子量为 6.94，电极电位最负，为-3.045VC（vsH + /H 2)，其 理论比容量
41、达到 3860mAhg -1 ，因此最先发展的体系是金属锂一次电池和二次电池。但是由于金属锂异 常活泼，极易与很多无机物和有机物反应，因此在电化学循环中，锂表面的不均匀性易造成金属锂的不 均匀沉积，形成锂枝晶，引发安全问题，由此阻碍了其实用化进程。而理离子电池由于采用了嵌锂碳或 其他的嵌锂材料取代了金属锂，因此提高了体系的安全性，使其迅速商品化并得到广泛的应用。但同时 锂离子电池的安全性又成为阻碍其大型化和进一步发展的关键因素 7 。 锂离子电池的安全性之所以备受关注，是由其自身特点决定的：电池能量密度很高，如果发生 热失控反应，放出很高的热量容易导致不安全行为发生；锂离子电池由于采用有机电解
42、质体系，有机 溶剂是碳氢化合物，在 4.6V 左右易发生氧化，并且溶剂易燃，若出现泄漏等情况，会引起电池着火， 甚至燃烧、爆炸；密封镍镉和镍氢电池在充电时正极上生成的氧在负极上得以还原，达到“理想的氧 循环” ，正极发生的反应用负极来抵消，并且此循环所消耗的电流不会改变蓄电池的化学状态。过充电 反应只限于内部氧循环，即可称为“再化合” ，而对于锂离子电池，过充电反应会使正极材料结构发生 变化而使材料具有很强的氧化作用，使电解液中溶剂发生强烈氧化，并且这种作用是不可逆的，反应引 发的热量如果积累会存在引发热失控的危险。 理离子电池的安全性备受关注，还与它的期望应用有着密切的关系，应用在电动车辆上
43、的锂离子 电池，无论单体容量高低，必然采用电池的组合应用，如果不能精确均衡控制，对某个单体来讲，无异 于滥用。在使用过程中可能造成单体的过充电或者过放电，长期循环电池的负极仁还存在着金属钾析出 的可能，特别对于单体容量高的电池，因热扰动可能会引发一系列放热副反应，最终导致热失控而引发 安全问题。 原则上，锂离子电池正常使用条件下通常是安全的，人们更关注的是在误用或滥用条件下如何保 证安全，长期循环的锂离子电池的耐热扰动及耐滥用能力变差。电池在滥用时由于电池内特定的能量输 入导致组成物质物理或化学反应产生大量的热，而热量不能及时逸出进而导致热失控。热失控可能会使 电池发生毁坏，如猛烈的泄气、破裂
44、并伴随着着火，造成安全事故。 2-2 影响锂离子电池安全性的关键因素分析 锂离子电池的安全性是指电池在正常使用或滥用时， 能抑制外界初始扰动而引起的不安全行为的能 力。外界初始扰动可以是电、热、光、机械等荷能过程。电池在初始扰动下吸收能量，激发内部的物理动力型锂离子电池组管理系统设计与研究 10 和化学过程，若这些过程产生的热量，能引发电池热失控，导致电池起火、爆炸，电池为不安全，否则 电池为安全的 8 。因此，电池安全性是相对于一定的初始扰动而言的，并不是一个普遍适用的概念。由 上述可知，如果说电池是不安全的，一定是发生了热失控反应；但是反之却不一定。 电池中的热过程应遵守热量平衡： Q P
45、 = Q e + Q a( 2- 1) 其中， Q P 一电池内各种过程产生的热量； Q e 一电池和环境交换的热量； Q a 一电池本身吸收的热量， 它表现为电池温度的升降变化T。电池吸收的热量用式(2-1)表示： c p n i p t Q Q Qa T C m = = =1 ) ( ( 2- 2) 若在绝热条件下，有 Q c = 0，则表示电池温升T的式 2-2 可以简化为： p n i p t Q Qa T C m = = =1 ) ( ( 2- 3) 电池内各种过程产生的热量包括焦耳热和化学反应热。焦耳热它主要决定于电池内阻，包括电极 与电解液界面、隔膜、电解液、集流体和金属极耳的电阻，化学反应热是指组成电池的物质间化学反应 热，可能是放热反应，也可能是吸热反应
