1.1鋰離子電池的工作原理

早期的鋰離子電池直接在負極中使用金屬鋰，容易在充電過程中出現鋰沉積，并且出現腐蝕現象，大大縮短了電池的循環壽命，嚴重時可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問題，人們開發出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負極中采用可以容納鋰離子的晶狀結構活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉移到負極或者從負極轉移到正極。

鋰離子電池的充放電工作過程是通過鋰離子電池正負極中的嵌入和脫嵌來實現的，當電池充電時，正極釋放出鋰離子于電解質中，這個過程是脫嵌，負極從電解質中吸入鋰離子，這個過程是嵌入，當電池放電時發生與上述相反的過程，這種充放電時鋰離子往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅相同搖來搖去，故有人稱鋰離子電池為搖椅電池。一般鋰離子電池的負極由碳(C)材料構成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構成，重要的化學反應為：

鋰離子電池有許多優越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩、貯存壽命長(相對其他的蓄電池)。從安全性來講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經過過充、短路、穿刺、沖擊(壓)等濫用實驗(ABUSETEST)，均無危險發生。鋰離子電池與鎳鎘電池(Cd-Ni)，鎳氫電池(MH-Ni)電池相同，可以快速充電，且無記憶效應，遠比Cd-Ni電池優越;它的自放電率遠比MH-Ni電池低。從環境保護的角度看，世界環境保護組織早已把鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(pb)三種元素列為有害物質。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問題。當然，鋰離子電池也有一些缺點，比如低溫放電率不高，電池的價格比較高等。

1.2鋰離子電池的充放電特性

蓄電池的充電過程是一個復雜的電化學變化過程，其復雜性表現為：

(1)多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質的濃度、極板活性物的狀態、充電環境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

(2)非線性一般而言，充電電流在充電過程中隨充電時間呈指數規律下降，不可能只用簡單恒流或恒壓控制充電全過程。

(3)復雜的電化學性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時放電的歷史狀態不相同，剩余電量的不相同，充電接受能力也有很大的不同。

作為給水下機器人供應動力的電池組，由于使用環境的復雜性，其充放電過程也更為復雜，尤其是過充電和過放電會對電池的結構造成不可恢復的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰離子電池技術與傳統的電池技術相比有很大的性能優勢，但對監測系統也有更高的要求。

假如控制不當的話，不僅對電池的結構會造成破壞，還會發生危險。

鋰離子電池的標稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對過充電和過放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰離子電池易受到的過充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。

不同的電池可能具有不同的容量，同容量數值相同的電流值稱為1C.鋰離子電池在不同的電流下的充、放電特性會有不同，因此研究它的充、放電特性，使用正確的充、放電控制、保護方式關于其使用安全和提高使用壽命具有很大的理論和應用意義。

鋰離子電池在充電時的特性如圖：

鋰離子電池在充電中具有如下的特性：

(1)在充電前半段，電壓是逐漸上升的。

(2)在電壓達到4.2V后，內阻變化，電壓維持不變。

(3)整個過程中，電量不斷新增。

(4)在接近充滿時，充電電流會達到很小的值。

經過多年的研究，已經找到了較好的充電控制方法：

(1)首先使用恒流進行充電，使電壓基本達到4.2V.安全電流為小于0.8C.

(2)恒流階段基本能達到電量的80%.

(3)轉為恒壓充電，電流逐漸減小。

(4)在電流達到較小的值(如0.05C)時，電池達到充滿狀態。

這種恒流-恒壓的充電方式能很好的到達電池的充滿狀態，并且不損害電池，已經成為鋰離子電池的重要充電方式。但是在電池電壓己經很低的情況下，電池內部的鋰離子活性減弱，假如此時用比較大的電流充電，也有可能對電池有損害。如同人在劇烈運動前要進行必要的熱身活動相同，鋰離子的活性也要逐步激活?？梢栽陔姵氐蛪憾尾捎妹}動方式，有效激活電池電壓到3.0V以上，然后采用恒流-恒壓的充電方式，有效的保護電池。

鋰離子電池具有很好的負載能力，它在不同電流時的放電特性如圖：

(1)最大可安全的供應3C的放電電流。

(2)不同的放電電流對電壓和電量的影響不同，能夠輸出的有效電量也相差很大。

(3)放電到3V左右，電池電量已經基本輸出完畢。

根據放電特性，本文將研究采用合適的放電管理和保護技術實現對參數的動態管理。2鋰離子電池剩余容量的研究

2.1影響電池剩余容量的因素

在電池的使用過程中電池容量受許多不確定因素的影響，因而如何根據可測的電池參數對現存電池容量狀態作出準確的估算是一個難題。目前，國內外較為普遍采用電池的荷電狀態SOC(StateofCharge)作為電池容量狀態描述參數，反映電池的剩余容量，其數值含義為電池的剩余容量占電池容量的比值：

式中：CQ是電池的剩余能量，0C為電池標稱容量，即在規定電流和溫度下處于理想狀態時的所能放出的容量。通常把一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態含義為荷電狀態100%，而將電池再不能放出能量的狀態含義為荷電狀態0%。

蓄電池的放電過程是個復雜的電化學變化過程，蓄電池的剩余容量受到電池溫度、放電率、自放電、充放電循環次數等多種因素的影響，使得關于剩余容量的估算十分困難。當電池放電時，以下的一些因素將會給電池的實際剩余容量帶來重要的影響。

(1)放電率。放電電流直接影響放電終止電壓。在規定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池所能放出的電量越小。

(2)電池溫度對容量的影響。電池溫度對其容量影響較大。這是因為隨著電池溫度升高，極板活性物質的化學反應逐步改善，因此放電時較高的電池溫度會使電池放出更多的電量。

但充電時過高的溫度會使更多的氧氣析出，電極電壓更容易達到最大值，反而會降低充電效果。

(3)自放電率。電池在貯存期間，由于電池內雜質的用途，如正極活性的金屬離子與負極活性物質組成微電池，發生負極金屬溶解與氫氣析出。又如溶液中從正極板溶解的雜質，若其標準電極電位介于正極與負極標準電極電位之間，則會被正極氧化，又會被負極還原。

所以有害雜質的存在，使正極和負極的活性物質被逐漸消耗，從而造成電池容量損失，這種現象稱為自放電。

(4)壽命。電池經歷一次充電和放電稱為一次循環或一個周期。在一定放電條件下電池工作至某一規定容量值之前，電池所能承受的循環次數，稱為循環壽命。關于鋰離子電池，隨電池壽命的變化，電池容量也會發生變化。

2.2剩余容量估計常用方法

簡介在剩余容量估計中常用的方法一般有：

1.開路電壓測量法。

利用電池的開路電壓與電池放電深度的對應關系，通過測量電池的開路電壓來估算SOC.關于鋰離子電池其開路電壓與它的SOC有一定的正比關系，可以用這種方法較為直接的得到電池的SOC.開路電壓法比較簡單，但是充放電進行的過程中開路電壓是無法檢測到的，因此這種方法不能用于動態估算電池的SOC。

2.電量累積法(安時積分法)。

電量累積法的直觀表達式是：蓄電池的剩余電量=(總電量)-(已放出的電量)。這里，我們不用去研究相對較為復雜的電化學反應及電池內部各參數之間的關系，而把電池看作為一個封閉系統，僅關注系統的外部特點。這樣，在電量監測中，將進出電池這個封閉系統的電量進行累加，通過累積電池在充電或放電過程中的電量來估測電池的SOC.同時，根據電池的溫度、放電率對SOC進行補償。放電容量和放電電流是密切相關的，當電池以某一電流放電到截止電壓后，并不意味著剩余容量已經為零，此時，假如改用稍小的電流繼續放電，則仍能放出一部分的電量，所以在供應剩余容量預測的同時必須給出放電電流的大小。電量累計法(安時積分法)采用積分法實時計算充入電池和從電池放出的電量，對電池的電量進行長時間的記錄和監測，這樣可以和滿電量進行任意時刻下的比較，從而就能得到對應于該時刻的剩余電量。該方法實現起來較簡單，受電池本身情況的限制小，宜于發揮微機監測的優點。但是用安時法得到的SOC估計，會隨著時間的推移其誤差越來越大。

3.測量內阻法。

這一方法是由日本的CHUGOKUElectricpowerCo.Inc.提出用于混合動力電動汽車蓄電池荷電狀態SOC的檢測。該方法用不同頻率的交流電激勵電池，并測量電池內部的交流電阻，然后，通過建立的計算模型得到SOC估計值。應指出，該方法得到的電池荷電狀態反映了電池在某特定恒流放電條件下的SOC值。這種方法實現比較困難，因為電池的工作條件對電池的內阻影響很大，內阻的計算要考慮電動勢的大小、端電壓、放電電流值，用傳統的數學方法很難建模。因此，在電池管理系統中較少應用這種方法來確定電池的荷電狀態。

4.建立蓄電池的數學模型。

重要做法是通過實驗獲得電池數據(整個電池組的電壓和電流)，建立電池的多輸入單輸出的線性模型，通過系統辨識的方法，得出電池的動態模型參數，利用此實驗建模的研究結果，探討實現對蓄電池SOC估算的修正方法。

5.模糊推理和神經網絡的方法。模糊邏輯推理和神經網絡是人工智能領域的兩個分支，它們共同的特點就是均采用并行處理結構，均是無模型的預報器，可從系統的輸入、輸出樣本中獲取系統的輸入輸出關系。在蓄電池剩余容量的預測中，考慮到影響電池狀態的因素很多，系統模型難以建立的問題，用模糊邏輯推理和神經網絡的方法來判斷電池的荷電狀態一直是研究的熱點。這些復雜算法在單片機系統上難以實現，所以在實際應用中還不多見，但這是未來發展的方向。

2.3本電池管理系統所采用方法

由以上分析可知，電池容量的估算方法有很多，不同的SOC估算方法各有其特點，本文通過實驗分析，得出了適合鋰離子電池的相關經驗模型，采用安時積分法和開路電壓測量法相結合的方法。

應用安時積分法對工作狀態中的鋰離子電池剩余容量進行計算。其基本思想是把不同電流下的放電電量等效成某個特定電流下的放電電量，再根據剩余電量來判定SOC.等效放電電量公式如下：

式中：t：充放電時間;

：不同充放電的系數;

i：充放電電流。

式中：0C是電池以標定的電流恒流放電所具有的容量。

在安時積分法中由于電池自放電和充放電效率的問題，誤差不斷積累、SOC估計值最終可能嚴重偏離實際值，尚未找到根本性的解決方法。

除了利用安時積分法記錄電池的容量變化外。通過試驗，在每次系統上電時根據電池斷電時間，及其上電時的開路電壓對當前SOC做一定的修正，即補償。對電池的補償要對其管理的電池有一定的先驗性認識。這種做法雖然比較復雜。但卻被認為是實際電池能量管理系統中較為有效的一種做法。鋰離子電池的端電壓在其充放電過程中變化較大。所以，我們無法在運行過程中利用端電壓估計電池的剩余容量。但是，當電池斷電后(即靜止后)，其端電壓隨著時間的延長會逐漸趨于穩定，這時的端電壓與其容量的關系較為明確。電池停放的時間越長，端電壓越能表征其內部容量。基于此，可以考慮將電池的停放時間t作為參數，在電池停放前的容量0SOC與電池穩定后其端電壓所表征的容量SOC1做一定的加權，如下式：

式中：T：電池端電壓穩定所需的時間;

t：電池停放時間(即兩次使用的間隔時間);

SOC0：電池停放前的剩余容量;

SOC1：電池穩按時其端電壓標志的剩余容量。

理論上來說，T是一個無窮長的時間。但在實際應用中，一般認為其端電壓變化率小于一定值的時候端電壓即是穩定的。電池穩定后其端電壓所表征的容量1SOC可由電池供應商供應的電池參數確定，本電池管理系統所管理鋰離子電池為雷天公司的90AH動力鋰離子電池，參數如下圖所示：