一种锂电池管理系统及方法研究

刘丰　罗新军

摘 要 本研究的锂电池应用管理系统包括：单节锂电池、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；采用对锂电池充放电电流、电压进行实时监测技术对锂电池的充放电进行管理，实现对锂电池的保护。

【关键词】锂电池 充放电 过放保护 过流保护

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。

参考文献

[1]International Rectifier.IRF7304 datasheet. http：//www.irf.com.

[2] Intersil.EL7515 datasheet.http：//www.intersil.com.

[3] Seiko. S-8254A datasheet.http：//www.sii-ic.com.

作者简介

刘丰（1979-），男，江苏省人。大学本科学历。现为江苏省邮电规划设计院有限责任公司项目经理，从事无线通信规划及设计工作。

罗新军（1975-），男，江西省人。硕士学位。现为江苏省邮电规划设计院有限责任公司高级工程师，从事无线通信规划及设计工作。

作者单位

江苏省邮电规划设计院有限责任公司 江苏省南京市 210019