采用锂离子电池作为动力源的电动工具是因为什么？
来源：宝鄂实业
2019-05-05 17:03
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采用锂离子电池作为动力源的电动工具因其绿色环保、循环性能好、电池容量高以及整机使用寿命长等诸多优势备受人们青睐,技术发展迅速。越来越多的锂电工具已采用先并联再串联的电池包来增加电池的整体容量,在一系列串并联结构后,电池的一致性对电池包寿命、安全性产生了重要影响。尽管电池成组进行了一致性的严格筛选，但串并联电池包的容量、安全性及寿命等性能都不能与单只电池相媲美。目前，电动工具行业普遍采用电池管理系统来控制电池包内电池的一致性和安全，从而保护电池包，延长工具使用寿命。
锂电池生产的一致性是业界公认的难题，尽管通过电压，内阻，使用极差系数法、标准差系数法和阈值法来筛选相对一致性的电池，但是电池成组后，电池包内电池一致性就很难维持，其影响因素诸多，如温度场、电池极化、自放电等。因而，电池包内电池一致性的控制就显得格外重要，采用电池管理系统（BMS）可以实现电池相对一致性的控制，从而避免由于电池不一致在使用过程中可能造成的过充过放，相对延长电池包的使用寿命。带有均衡功能的电池管理系统在一定程度上缓解了电池包的不一致问题，使电池包容量和能量利用率得以最大化。
锂离子电池正广泛应用于消费电子、电动汽车以及空间系统。然而，一个不可避免的问题是随着循环使用和材质老化电池性能会不断下降直到废弃。另外电池性能的退化无法直接测量，往往需要提前对其进行估计，从而决定是否更换电池，以避免一些不必要的事故。
1 概述
锂电池具有体积小、重量轻，比能量大，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应，绿色，工作温度范围宽等特点。锂电池在移动通信设备中得到广泛应用，如动环设备、射频光纤分布系统、网络信号监测仪等，用于实现对这些设备在外电掉电下的状态监控；通常设备的监控系统供电电压在9V或以上，单节锂电池的标称电压为3.7V，常用的方案是采用多节锂电池串联的方式来达到应用系统的供电电压要求，由于每节电池在出厂时均存在一定的差异性，随着充放电次数的增加，串联中的各锂电池的差异将越来越大，造成电池组中各电池的充电时间不一致，导致电池浮冲、过充或过放，容易造成电池损坏。
为克服锂电池应用存在的缺点和不足，特别是多节锂电池串联存在的充放电不平衡问题，采用基于单节锂电池应用的管理系统及技术方案，可有效解决这些固有缺陷。
2 锂电池充放电管理要求
锂电池过充、过放、过流，高温、低温使用等均可能造成锂电池物理、化学上的损坏。
锂电池的理想充电过程：预充、恒流充电、恒压充电、涓流充电、充电完成，不断监测锂电池电压并与门限比较，若低则重新开始充电，锂电池充满后应尽量避免浮充。
理想的锂电池充电电压电流曲线如图1所示。
3 单节锂电池管理系统框图
单节锂电池的标称电压通常为3.7V，通常难以正好达到设备监控系统的供电要求。
单节锂电池充放电管理系统包括：锂电池充放电管理模块、锂电池放电过流保护模块、锂电池电压过放保护模块及锂电池电压升压模块。系统原理框图如图2所示。
该锂电池管理系统输入部分为外部充电电源，输出部分为应用系统的工作电源，其中锂电池充放电管理模块、锂电池电压过放保护模块、锂电池放电过流保护模块只是逻辑上划分，物理上可能集成。
4 单节锂电池充放电管理方法
依据锂电池典型充电电压电流曲线，结合移动通信设备中锂电池使用特点，当应用系统外部供电掉电时，锂电池管理系统能够将应用系统电源无缝切换至采用锂电池供电， 锂电池放电时，能及时监测锂电池过流、过放情况并自动切断；当应用系统外部供电正常时，能够根据侦测到的锂电池电压情况对锂电池及时充电，避免浮充等。单节锂电池充放电管理流程如下。
（1）在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池未充满的状态下，锂电池充放电管理模块对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，当监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，启动锂电池充电过程，当监测到锂电池电压等于锂电池最高电压，且充电电流很小时，则停止锂电池充电过程，避免浮充；
（2）在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池已经充满状态下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压不断进行监测，若监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，重新启动锂电池充电过程；
（3）在外部充电电源供电异常情况下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，此时监测到外部充电电源模块电压不正常，则启动锂电池放电过程；
（4）锂电池放电过流保护模块时刻监测锂电池放电回路中的工作电流大小，当监测到放电回路中锂电池放电电流大于锂电池最大放电电流门限时，则断开锂电池放电回路；当监测到放电回路中锂电池放电电流低于锂电池最大放电电流门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
（5）锂电池电压过放保护模块时刻监测锂电池当前电压大小，当监测到锂电池电压低于最低放电电压门限时，断开锂电池放电回路，停止锂电池供电；当监测到锂电池电压高于最低电压门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
锂电池电压升压模块将单节锂电池电压升压到适于应用系统工作的电压值，以满足应用系统所需电压要求。
5 单节锂电池管理系统实现
本研究的单节锂电池管理系统及方法主要在移动通信设备中的嵌入式系统及传输系统中应用，整个系统原理框图如图3所示。
单节锂电池应用系统的关键技术及难点，主要体现在锂电池容量的估算及选型，锂电池电压升压器件的选型，锂电池充放电管理芯片的选型及充放电开关的选型上。
锂电池容量的估算，需要根据嵌入式最小系统及其外设的功耗及系统要求的锂电池供电时间进行推算。锂电池容量计算可采用公式1进行推算并留有余量。
Ii =（（ Ic * Uc） /η1）/ η2 / Ui （1）
其中：
Ii、Ui为锂电池供电电流、电压；
Ic、Uc为应用系统工作电流、电压；
η1、η2为开关电源、升压DC/DC效率；
锂电池电压升压器件的选型，主要考虑芯片的输入电压范围、输出电压范围、芯片效率及散热等。
锂电池充放电管理芯片的选型，主要考虑芯片的输入电压范围应在应用系统的供电电压应在其输入电压范围内、芯片充电电流大小及最大放电电流、过充电压及过放电压等。
锂电池充放电开关的选型，建议采用基于MOSFET的大功率开关管。
通过器件选型及相关常温、高低温实验验证，设计实现的电路在输入、输出动态范围额定负载的情况下输出电压稳定，电压纹波在合理范围内，实现了单节锂电池管理系统在产品中的应用，证明了技术方案的可行性。
6 结语
本文提出了一种单节锂电池管理系统及方法，通过设计实现及实际应用进行了可行性验证。采用单节锂电池供电方案，避免了多节锂电池串联供电由于锂电池之间的差异性存在的固有缺陷，增强了锂电池使用寿命、降低了成本。
目前对锂电池循环寿命的预测离成熟的实际在线应用还有一段距离。国外的一些高校、研究机构和公司针对电动车、船舶、飞机及航天器的电池管理系统( battery management system，BMS) 进行研究和开发，其中锂电池循环寿命的预测是BMS 的核心和难点，许多如GPS 系统和无人机( unmanned aerial vehicles，UAVs) 等军事电子设备需要使用的便携式电源都依赖于锂离子电池，也需要评估锂电池的可靠性，以避免锂离子电池失效而导致从操作损伤到性能下降甚至灾难性故障等不同程度的严重后果。 应用于植入式医疗设备的可充电锂电池的可靠性被广大的利益相关者公认为最重要的一个要求，要确保这些设备的锂电池在操作过程中的可靠性，就必须要求能够评估锂电池的容量和预测剩余的循环使用寿命。
国内也有一些研究机构已经开展了实际应用工作，但尚处于起步阶段，比如Liu D． T． 等人将锂离子电池的循环寿命预测方法应用于我国航天某所的卫星锂电池健康评估系统中，开发了卫星锂离子电池剩余寿命预测系统; 针对空间应用计算资源约束问题，周建宝等人还在FPGA 平台上实现了基于RVM的嵌入式锂电池循环寿命预测计算方法，预测电池的剩余寿命( remaininguseful life，ＲUL) ; 北京交通大学和北京航空航天大学也分别研究了相关电池剩余寿命估算方法，先后得到实际应用; 国内一些公司如哈尔滨冠拓电源设备有限公司和深圳派司地科技有限公司在电池管理系统的开发上也取得了一定的成果。
总体来说，国内外电池管理系统的采集精度仍然不够精确，尤其是在电池剩余循环寿命估算的准确性上仍然存在着不足，技术不够成熟。
锂电池生产的一致性是业界公认的难题，尽管通过电压，内阻，使用极差系数法、标准差系数法和阈值法来筛选相对一致性的电池，但是电池成组后，电池包内电池一致性就很难维持，其影响因素诸多，如温度场、电池极化、自放电等。因而，电池包内电池一致性的控制就显得格外重要，采用电池管理系统（BMS）可以实现电池相对一致性的控制，从而避免由于电池不一致在使用过程中可能造成的过充过放，相对延长电池包的使用寿命。带有均衡功能的电池管理系统在一定程度上缓解了电池包的不一致问题，使电池包容量和能量利用率得以最大化。
锂离子电池正广泛应用于消费电子、电动汽车以及空间系统。然而，一个不可避免的问题是随着循环使用和材质老化电池性能会不断下降直到废弃。另外电池性能的退化无法直接测量，往往需要提前对其进行估计，从而决定是否更换电池，以避免一些不必要的事故。
1 概述
锂电池具有体积小、重量轻，比能量大，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应，绿色，工作温度范围宽等特点。锂电池在移动通信设备中得到广泛应用，如动环设备、射频光纤分布系统、网络信号监测仪等，用于实现对这些设备在外电掉电下的状态监控；通常设备的监控系统供电电压在9V或以上，单节锂电池的标称电压为3.7V，常用的方案是采用多节锂电池串联的方式来达到应用系统的供电电压要求，由于每节电池在出厂时均存在一定的差异性，随着充放电次数的增加，串联中的各锂电池的差异将越来越大，造成电池组中各电池的充电时间不一致，导致电池浮冲、过充或过放，容易造成电池损坏。
为克服锂电池应用存在的缺点和不足，特别是多节锂电池串联存在的充放电不平衡问题，采用基于单节锂电池应用的管理系统及技术方案，可有效解决这些固有缺陷。
2 锂电池充放电管理要求
锂电池过充、过放、过流，高温、低温使用等均可能造成锂电池物理、化学上的损坏。
锂电池的理想充电过程：预充、恒流充电、恒压充电、涓流充电、充电完成，不断监测锂电池电压并与门限比较，若低则重新开始充电，锂电池充满后应尽量避免浮充。
理想的锂电池充电电压电流曲线如图1所示。
单节锂电池的标称电压通常为3.7V，通常难以正好达到设备监控系统的供电要求。
单节锂电池充放电管理系统包括：锂电池充放电管理模块、锂电池放电过流保护模块、锂电池电压过放保护模块及锂电池电压升压模块。系统原理框图如图2所示。
该锂电池管理系统输入部分为外部充电电源，输出部分为应用系统的工作电源，其中锂电池充放电管理模块、锂电池电压过放保护模块、锂电池放电过流保护模块只是逻辑上划分，物理上可能集成。
4 单节锂电池充放电管理方法
依据锂电池典型充电电压电流曲线，结合移动通信设备中锂电池使用特点，当应用系统外部供电掉电时，锂电池管理系统能够将应用系统电源无缝切换至采用锂电池供电， 锂电池放电时，能及时监测锂电池过流、过放情况并自动切断；当应用系统外部供电正常时，能够根据侦测到的锂电池电压情况对锂电池及时充电，避免浮充等。单节锂电池充放电管理流程如下。
（1）在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池未充满的状态下，锂电池充放电管理模块对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，当监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，启动锂电池充电过程，当监测到锂电池电压等于锂电池最高电压，且充电电流很小时，则停止锂电池充电过程，避免浮充；
（2）在外部充电电源供电正常情况下，且在锂电池已经充满状态下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压不断进行监测，若监测到锂电池电压低于锂电池充电电压门限时，重新启动锂电池充电过程；
（3）在外部充电电源供电异常情况下，锂电池充放电管理系统对锂电池的电压和外部充电电源的电压进行监测，此时监测到外部充电电源模块电压不正常，则启动锂电池放电过程；
（4）锂电池放电过流保护模块时刻监测锂电池放电回路中的工作电流大小，当监测到放电回路中锂电池放电电流大于锂电池最大放电电流门限时，则断开锂电池放电回路；当监测到放电回路中锂电池放电电流低于锂电池最大放电电流门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
（5）锂电池电压过放保护模块时刻监测锂电池当前电压大小，当监测到锂电池电压低于最低放电电压门限时，断开锂电池放电回路，停止锂电池供电；当监测到锂电池电压高于最低电压门限时，重新开放锂电池放电回路；如此反复。
锂电池电压升压模块将单节锂电池电压升压到适于应用系统工作的电压值，以满足应用系统所需电压要求。
5 单节锂电池管理系统实现
本研究的单节锂电池管理系统及方法主要在移动通信设备中的嵌入式系统及传输系统中应用，整个系统原理框图如图3所示。
单节锂电池应用系统的关键技术及难点，主要体现在锂电池容量的估算及选型，锂电池电压升压器件的选型，锂电池充放电管理芯片的选型及充放电开关的选型上。
锂电池容量的估算，需要根据嵌入式最小系统及其外设的功耗及系统要求的锂电池供电时间进行推算。锂电池容量计算可采用公式1进行推算并留有余量。
Ii =（（ Ic * Uc） /η1）/ η2 / Ui （1）
其中：
Ii、Ui为锂电池供电电流、电压；
Ic、Uc为应用系统工作电流、电压；
η1、η2为开关电源、升压DC/DC效率；
锂电池电压升压器件的选型，主要考虑芯片的输入电压范围、输出电压范围、芯片效率及散热等。
锂电池充放电管理芯片的选型，主要考虑芯片的输入电压范围应在应用系统的供电电压应在其输入电压范围内、芯片充电电流大小及最大放电电流、过充电压及过放电压等。
锂电池充放电开关的选型，建议采用基于MOSFET的大功率开关管。
通过器件选型及相关常温、高低温实验验证，设计实现的电路在输入、输出动态范围额定负载的情况下输出电压稳定，电压纹波在合理范围内，实现了单节锂电池管理系统在产品中的应用，证明了技术方案的可行性。
6 结语
本文提出了一种单节锂电池管理系统及方法，通过设计实现及实际应用进行了可行性验证。采用单节锂电池供电方案，避免了多节锂电池串联供电由于锂电池之间的差异性存在的固有缺陷，增强了锂电池使用寿命、降低了成本。
目前对锂电池循环寿命的预测离成熟的实际在线应用还有一段距离。国外的一些高校、研究机构和公司针对电动车、船舶、飞机及航天器的电池管理系统( battery management system，BMS) 进行研究和开发，其中锂电池循环寿命的预测是BMS 的核心和难点，许多如GPS 系统和无人机( unmanned aerial vehicles，UAVs) 等军事电子设备需要使用的便携式电源都依赖于锂离子电池，也需要评估锂电池的可靠性，以避免锂离子电池失效而导致从操作损伤到性能下降甚至灾难性故障等不同程度的严重后果。 应用于植入式医疗设备的可充电锂电池的可靠性被广大的利益相关者公认为最重要的一个要求，要确保这些设备的锂电池在操作过程中的可靠性，就必须要求能够评估锂电池的容量和预测剩余的循环使用寿命。
国内也有一些研究机构已经开展了实际应用工作，但尚处于起步阶段，比如Liu D． T． 等人将锂离子电池的循环寿命预测方法应用于我国航天某所的卫星锂电池健康评估系统中，开发了卫星锂离子电池剩余寿命预测系统; 针对空间应用计算资源约束问题，周建宝等人还在FPGA 平台上实现了基于RVM的嵌入式锂电池循环寿命预测计算方法，预测电池的剩余寿命( remaininguseful life，ＲUL) ; 北京交通大学和北京航空航天大学也分别研究了相关电池剩余寿命估算方法，先后得到实际应用; 国内一些公司如哈尔滨冠拓电源设备有限公司和深圳派司地科技有限公司在电池管理系统的开发上也取得了一定的成果。
总体来说，国内外电池管理系统的采集精度仍然不够精确，尤其是在电池剩余循环寿命估算的准确性上仍然存在着不足，技术不够成熟。
