為什么需要鋰電池管理系統(tǒng)?

為什么需要鋰電池管理系統(tǒng)?

遠(yuǎn)程儀表設(shè)備由于其特殊的工作環(huán)境和工作方式對(duì)電池的要求非常高。它要求電池需要有較長(zhǎng)的持續(xù)供電能力，續(xù)航時(shí)間往往需要達(dá)到1年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。鋰電池由于其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控儀表上。與鎳氫電池相比，鋰離子電池輕30%-40%，能量比卻高60% 。然而鋰電池也有嚴(yán)重的缺陷，總結(jié)來(lái)說(shuō)有以下兩個(gè)方面：

(1) 安全性

鋰電池存在安全性差，時(shí)有發(fā)生爆炸等缺陷。尤其是鈷酸鋰為正極材料的鋰電池不能大電流放電，安全性較差。此外，幾乎所有種類的鋰電池過(guò)度充電或過(guò)度放電都會(huì)引起電芯不可逆轉(zhuǎn)的損傷。鋰電池對(duì)溫度也極為敏感：如果在溫度過(guò)高的狀況下使用，可能引起電解液分解、燃燒甚至爆炸;溫度過(guò)低將導(dǎo)致鋰電池的各項(xiàng)性能明顯惡化，影響設(shè)備的正常使用。

由于電池制作工藝的限制，每個(gè)電池單元的內(nèi)阻、容量等均會(huì)存在差異。當(dāng)多個(gè)電池單元串聯(lián)使用時(shí)，會(huì)引起各個(gè)電芯的充放電速率不一致，這導(dǎo)致了電池容量的利用率低下。鑒于此，鋰電池在實(shí)際使用過(guò)程中通常需要專門的保護(hù)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控電池的健康狀態(tài)，從而管理鋰電池的使用過(guò)程。圖1顯示了電解液分解后的鋰電池。

(2)可維護(hù)性

鋰電池低溫下容量衰減和電量無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)使得設(shè)備的可維護(hù)性較差。長(zhǎng)期在線的儀表需要定期更換電池，而遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備工作站點(diǎn)分散，各個(gè)站點(diǎn)之間路途遙遠(yuǎn)，因此更換電池工作量巨大，成本高昂。為了減小維護(hù)的工作量，降低維護(hù)成本，需要電池管理系統(tǒng)具有準(zhǔn)確的電荷狀態(tài)估算功能以準(zhǔn)確掌握電池的電荷狀態(tài)，更有目的地進(jìn)行電池更換工作;同時(shí)還需要電池管理系統(tǒng)具有較低的自身功耗，以降低維護(hù)頻率，延長(zhǎng)電池的使用壽命。因此對(duì)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電的遠(yuǎn)程監(jiān)控儀表，合理地設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)有著非常重要的意義。

然而，遠(yuǎn)程監(jiān)控儀表的工作特點(diǎn)和鋰電池的固有的特性使得研究出滿足此類應(yīng)用要求的電池管理系統(tǒng)變得相當(dāng)困難。主要有以下幾個(gè)因素：

首先從遠(yuǎn)程測(cè)量?jī)x表的工作特點(diǎn)來(lái)講，為了降低功耗，遠(yuǎn)程測(cè)量?jī)x表一般會(huì)周期性的進(jìn)行休眠和喚醒，它的工作電流是動(dòng)態(tài)變化的，喚醒階段的工作電流遠(yuǎn)高于休眠狀態(tài)，但喚醒階段的工作時(shí)間卻遠(yuǎn)小于休眠階段;

其次，鋰電池的放電曲線十分平緩，主要電量都集中于3.6V電壓以上，而隨后，隨著電壓的進(jìn)一步降低，電池電量開始急劇下降，遠(yuǎn)程儀表設(shè)備無(wú)法根據(jù)電池電壓發(fā)出低電量報(bào)警;

最后，鋰電池的自放電率隨溫度的波動(dòng)變化很大，對(duì)工作在野外的儀表設(shè)備來(lái)說(shuō)，溫度條件十分極端，進(jìn)一步加大了電池電量預(yù)測(cè)難度。現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)難以適應(yīng)這些功能和性能要求，本課題正是基于上述背景而提出的。