鄧佳敏，鄒金慧，鄭緒東，李志強，湯建國

1 昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明市呈貢區(qū)景明南路727號 650000；2 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650202

HTPs 產(chǎn)品因其具有飽滿的煙霧量、舒適的口感、大幅降低有害物質(zhì)釋放量以及程控式的加熱方式等優(yōu)點，所以越來越受到消費者和各大煙草公司的青睞[1-5]。然而HTPs 煙具屬于新興電子產(chǎn)品，尚不擁有完善的BMS，現(xiàn)有產(chǎn)品大多直接或間接引用手機、充電寶等擁有成熟技術(shù)的BMS，但是HTPs 煙具不同于手機、充電寶，其性能主要體現(xiàn)在電池溫度估計、SOC 估計、SOH 估計、SOF 估計、SOE 估計、IBS參數(shù)檢測與信息存儲、故障診斷報警等指標(biāo)中[6]。因此，急需設(shè)計一種專門適用于HTPs 煙具的BMS。

本文中首先剖析了國內(nèi)外HTPs 煙具BMS 的產(chǎn)品現(xiàn)狀，然后分別系統(tǒng)地介紹了BMS 的總體框架、電池溫度估計方法、SOC 估計方法、SOH 估計方法、SOF 估計方法、SOE 估計方法、IBS 參數(shù)檢測與信息存儲、故障診斷報警等[7]BMS 的核心技術(shù)，最后分析了BMS 的研究難點、局限以及今后的研究方向，為HTPs 煙具BMS 的研發(fā)提供參考。

1 國內(nèi)外BMS 產(chǎn)品現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外目前流行的BMS 以及功能特點大致分為：

①菲利浦·莫里斯煙草國際公司（菲莫公司）[8]的IQOS（型號：2.4P）：包括18650（標(biāo)稱容量2900 mA·h，標(biāo)稱能量11 W·h，標(biāo)稱電壓3.7 V）和10370（標(biāo)稱容量120 mA·h，標(biāo)稱能量0.384 W·h，標(biāo)稱電壓3.2 V）鋰電池各一顆，分別作為充電單元和抽吸單元的電池；恒流充電階段充電電流均為2 A±0.1 A，充滿電的電池電壓均達(dá)到4.2 V±0.1 V；設(shè)有過電流保護與短路保護功能，發(fā)生過電流或者短路時紅燈亮自動關(guān)機；設(shè)有過電壓保護、低電壓保護功能，當(dāng)電壓過低或者過高時紅燈亮起，系統(tǒng)停止工作；設(shè)有高溫保護功能，電池與電路板溫度高于80 ℃時停止運行；設(shè)有電量預(yù)算IC（Integrated circuit，集成電路），充電單元采用4 顆白光LED 顯示不同電量，抽吸單元采用1 顆三色LED 顯示電量；設(shè)有金屬散熱管裝置，縱向貫通于整個裝置中，可起到較好的散熱效果[9]。

②韓國lil（型號：HYBRID）：包含18650（標(biāo)稱容量2950 mA·h，標(biāo)稱電壓3.6 V）鋰電池一顆；BQ24190 鋰電管理IC；設(shè)有過吸煙保護功能，連續(xù)抽吸時間超過5 s 時LED 燈連續(xù)閃爍10 次后輸出截止；設(shè)有低電壓保護功能[10]，當(dāng)電壓低于3.2 V 時LED 燈連續(xù)閃爍10 次后自動關(guān)機；設(shè)有高溫保護功能，當(dāng)檢測到電池溫度高于85 ℃時紅燈閃爍10 次后進(jìn)入關(guān)機保護狀態(tài)；設(shè)有高溫清潔模式，連續(xù)按開機鍵5 次進(jìn)入530 ℃左右高溫自動清潔模式；設(shè)有過電流保護功能，當(dāng)檢測到峰值電流大于5 A 時啟動過電流保護。

③英美煙草公司的glo（型號：G003）：包含18650（測量容量3 000 mA·h；測量電壓3.7 V）鋰電池一顆；VUBI TI 71 S19F 鋰電管理IC；設(shè)有過充電保護功能與過電流保護功能，當(dāng)發(fā)生過充電或者過電流現(xiàn)象時兩顆白燈連續(xù)閃爍3 次進(jìn)行提示；設(shè)有0 V 充電功能，當(dāng)電池因非正常放電導(dǎo)致過放電現(xiàn)象發(fā)生時鋰電管理IC 會自動保護電池使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，電池處于休眠狀態(tài)中當(dāng)檢測到電池恢復(fù)正常充電現(xiàn)象后，鋰電管理IC 會自動解除休眠狀態(tài)；設(shè)有高溫保護NTC 裝置，電池與電路板溫度高于60 ℃時停止運行；設(shè)有電量預(yù)算IC，采用4 顆三色LED 顯示不同電量；設(shè)有導(dǎo)熱硅膠墊散熱裝置，采用導(dǎo)熱硅膠墊（一種導(dǎo)熱介質(zhì)，用來減少電池表面與電路板接觸面之間產(chǎn)生的接觸熱阻）對電池和電路板進(jìn)行散熱。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)HTPs 煙具的BMS 研究也取得了重大突破，以湖南中煙、云南中煙、四川中煙和湖北中煙等為主[11-12]，產(chǎn)品主要包括：

①湖南中煙公司的P 產(chǎn)品：包含18650（測量容量3 000 mA·h，測量電壓3.7 V）鋰電池一顆；DW01 鋰電保護IC，可進(jìn)行過充電保護、過放電保護、過電流保護；當(dāng)電壓過低時一顆紅燈閃爍6 次后系統(tǒng)停止工作；當(dāng)發(fā)生短路或者過電流時，4 顆綠燈兩兩交替閃爍6 次后停止工作。

②云南中煙公司的W 產(chǎn)品：包括18650（標(biāo)稱容量2 200 mA·h，標(biāo)稱能量8.14 W·h，標(biāo)稱電壓3.7 V) ）和12350（標(biāo)稱容量260 mA·h，標(biāo)稱能量0.96 W·h，標(biāo)稱電壓3.7 V）鋰電池各一顆，分別作為充電單元和抽吸單元的電池。CT2105 鋰電保護IC，可進(jìn)行過充電保護，充滿電時綠燈常亮5 s 后熄滅，可進(jìn)行過電流保護，放電電流超過9 A 時紅燈閃爍5 次后停止工作，可進(jìn)行過放電保護，電池放電至3 V 以下時自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至檢測到接入充電器時自動解除休眠狀態(tài)；短路保護，檢測到短路時，紅燈閃爍5 次后系統(tǒng)自動關(guān)機；設(shè)有高溫保護NTC 裝置，電池與電路板溫度高于65 ℃時停止運行。

2 BMS 核心技術(shù)要點

2.1 BMS 總框架

BMS 的總體框圖如圖1 所示，其中電池溫度估計用于檢測電池表面溫度[13-14]、環(huán)境溫度以及電芯溫度，通常與電池散熱結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起；SOC 估計用于電池剩余電量估計[15]，通常用百分比表示，100%表示完全充電，0 表示完全放電；SOH 估計用于電池健康度[16]的估計，可以理解為電池當(dāng)前容量占出廠容量的比值；SOF 估計用于電池功能狀態(tài)的估計，可以理解為控制策略中的一個參數(shù)[17]，通常與電池充放電控制緊密聯(lián)系；SOE 估計用于電池能量的估計，即煙具能夠使用多長時間，通常為SOC估計的應(yīng)用拓展，SOE 估計則利用SOC 與SOE 之間的映射關(guān)系[18-19]進(jìn)行估計，受到未來工況的影響較大；IBS 參數(shù)檢測與信息存儲用于對BMS 中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集以及對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、調(diào)用；故障診斷用于檢測突發(fā)故障并提供保護措施，主要包括過充電檢測、過放電檢測、過電流檢測、電池溫度檢測、PCB（Printed circuit board，印刷電路板）溫度檢測、短路檢測、加熱片溫度檢測、電池兼容性檢測等。

圖1 BMS 總框圖Fig. 1 General block diagram of BMS

2.2 電池溫度估計

電池溫度估計關(guān)系到電池的容量、功率和安全性，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括電池最優(yōu)工作溫度范圍選擇、溫度場計算、傳熱介質(zhì)選擇、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。電池散熱結(jié)構(gòu)為電池溫度估計中最重要的環(huán)節(jié)之一。主要是根據(jù)電池工作期間所受的內(nèi)、外熱負(fù)載狀況，采用一種或多種散熱結(jié)構(gòu)來保證整個電池系統(tǒng)的工作溫度維持在一定范圍內(nèi)。

目前，電池散熱結(jié)構(gòu)主要包括：空冷、液冷、熱管冷卻[20]和相變冷卻[21]。

空冷和液冷分別以空氣和液體為介質(zhì)進(jìn)行散熱，是目前應(yīng)用較廣的兩種散熱結(jié)構(gòu)；熱管冷卻采用熱管進(jìn)行散熱，比液冷具有更高的散熱效率；相變冷卻采用相變材料進(jìn)行散熱，即采用管內(nèi)冷卻介質(zhì)相變過程中吸收或釋放大量熱量的原理實現(xiàn)降溫，由于冷卻介質(zhì)密封于熱管中，不易泄露，因此具有更高的安全性。

熱管冷卻適用于高精度、高倍率的BMS；相變冷卻結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效果好、接觸熱阻低，但是占據(jù)空間大，相變材料所吸收的熱量需要依靠風(fēng)冷、液冷或其他散熱結(jié)構(gòu)的輔助，因此所需要的成本更高。國內(nèi)外現(xiàn)有煙具因考慮到體積、成本和安全性因素的綜合影響，多選用空冷、熱管冷卻、導(dǎo)熱材料（相變冷卻）對電池系統(tǒng)進(jìn)行散熱，如：英美煙草公司的glo（型號：G003）中采用導(dǎo)熱硅膠墊置于電池與PCB 之間進(jìn)行散熱；菲莫公司的IQOS（型號：2.4P）中采用熱管冷卻與空冷兩種方式相結(jié)合進(jìn)行散熱，電池和PCB外置金屬散熱管，縱向貫通于整個裝置中，當(dāng)進(jìn)行抽吸動作時帶動空氣流通，從而達(dá)到散熱的目的；湖南中煙公司的P 產(chǎn)品和云南中煙公司的W 產(chǎn)品均采用空冷進(jìn)行散熱。迄今為止液冷、熱管液冷（熱管冷卻技術(shù)包括熱管空冷和熱管液冷）、相變材料冷卻這3種散熱結(jié)構(gòu)尚未應(yīng)用于實際產(chǎn)品中，今后可能會成為新的發(fā)展方向。

2.3 SOC 估計

目前，國內(nèi)外SOC估計的理論體系已經(jīng)相當(dāng)完善，SOC 估計方法主要分為3 類，分別是基于經(jīng)驗的方法、基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)擬合的方法，具體分類如圖2 所示。

基于經(jīng)驗的方法主要包括安時積分法和開路電壓法[22-26]。安時積分法和開路電壓法兩者的結(jié)合為當(dāng)前最普遍的使用方法。

基于模型的方法主要包括電化學(xué)第一模型法[27-28]和等效電路模型法?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ峭ㄟ^電池本身的化學(xué)反應(yīng)、物理特性，采用等效電路元件進(jìn)行電池模型的建立，進(jìn)而對SOC 的規(guī)律進(jìn)行闡述。其中，等效電路模型法又可以分為時域等效電路模型法[29-32]和頻域等效電路模型法[33-35]。時域等效電路模型法又包括卡爾曼濾波法[36]、粒子濾波法[37]和其他方法[38]。

基于數(shù)據(jù)擬合的方法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[39-40]、支持向量機法[41-42]和模糊控制法[43]。基于數(shù)據(jù)擬合的方法不必考慮電池內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，只需通過大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來估計電池的SOC。

圖2 SOC 估計方法Fig. 2 SOC estimation methods

菲莫公司的IQOS（型號：2.4P）、英美煙草公司的glo（型號：G003）以及云南中煙公司的W 產(chǎn)品對于SOC 估計均采用開路電壓法進(jìn)行估計，用LED1、LED2、LED3、LED4 分別代表25%、50%、75%、100%的電量。韓國lil（型號：HYBRID）和四川中煙公司寬窄功夫（型號：1.3）也均采用開路電壓法進(jìn)行SOC 估計，不同之處在于采用1 顆三色LED 燈進(jìn)行不同電量顯示。雖然SOC 估計方法種類很多，但是目前均是采用基于經(jīng)驗的方法，其缺點是基于經(jīng)驗的方法往往需要漫長的經(jīng)驗積累去發(fā)現(xiàn)總結(jié)規(guī)律，若電池相關(guān)參數(shù)發(fā)生變動則需要重新總結(jié)規(guī)律，普適性較差，而基于模型和數(shù)據(jù)擬合的方法只需先建立一個簡單粗糙的模型，然后用大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充進(jìn)而使模型不斷契合數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是基于模型和數(shù)據(jù)擬合的方法可以省去漫長的經(jīng)驗積累總結(jié)規(guī)律這一階段，通過簡單的模型和大量的數(shù)據(jù)節(jié)省漫長的研究時間，以后可加大基于模型和數(shù)據(jù)擬合方法的研究力度，尤其像卡爾曼濾波法、粒子濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及模糊控制法。

2.4 SOH 估計

目前，國內(nèi)外對SOH 的估計主要從離線和在線兩個方向進(jìn)行，具體分類如圖3 所示。

離線估計是一種傳統(tǒng)的電池健康估計方法，這種方法通過電池的內(nèi)在特性對其SOH 進(jìn)行估計，是現(xiàn)代在線智能法的基礎(chǔ)，在早期SOH 估計中比較常見。SOH 離線估計方法主要包括容量法、部分放電法、內(nèi)阻法[44]、電化學(xué)阻抗法、雙脈沖放電負(fù)載測試法[45]和初期電壓跌落法。

圖3 SOH 估計方法Fig. 3 SOH estimation methods

在線估計是近些年在離線估計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，最主要的優(yōu)點是可以實時進(jìn)行SOH 估計。SOH 在線估計方法主要包括電壓曲線擬合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[46]、支持向量機法[47]、卡爾曼濾波法[48]、粒子濾波法[49]、模糊邏輯推理法[50]、滑模觀測器法[51]和自回歸模型法[52]。

目前為止，國內(nèi)外HTPs 煙具（包括菲莫公司的IQOS 等國內(nèi)外各大企業(yè)）尚無產(chǎn)品具有SOH 估計功能，但在手機行業(yè)和汽車行業(yè)已有應(yīng)用，如電池最大容量低于80%需更換電池；電池溫度過高，電池過充、過放導(dǎo)致的隱患及其隱患的排除方式等。HTPs煙具SOH 估計功能關(guān)系到電池全壽命周期預(yù)測。電池的SOH 受溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間、截止電壓等多種因素影響。目前電池SOH 的研究和建模分析等雖有一定的成果，但仍處于定性研究階段。因此，未來SOH 估計將會成為HTPs 煙具BMS 的一個研究方向。

2.5 SOF、SOE 估計

SOF 估計用于電池功能狀態(tài)的估計，可以理解為控制策略中的一個參數(shù)，通常與電池充放電控制緊密聯(lián)系。對于煙具來說，SOF 被定義為某特定時刻，電池可以供給發(fā)熱元件等各種負(fù)載的功率，可以簡單的理解為SOF 是SOC 和溫度的相關(guān)函數(shù)。在實際應(yīng)用中，BMS 不僅需要考慮特定時刻電池對外輸出的功率，還需考慮電池允許充電的最大功率。菲莫公司的IQOS（型號：3.0 Multi）采用DS2780 作為充電IC，電芯溫度估計采用1-Wire 接口，使用集成溫度傳感器測量電池溫度。通過檢測電池充放電過程中的電流、電壓、時間及其電芯溫度進(jìn)行SOC 估計。通過SOC 和電芯溫度的相關(guān)函數(shù)計算電池特性參數(shù)（SOF估計），最后將其儲存在24 位的EEPROM 內(nèi)存中；云南中煙公司的W 產(chǎn)品采用MP2625 作為充電IC，電芯溫度估計采用NTC 傳感器。電池充放電電流通過ISET 引腳與GND 之間的電阻來檢測，電壓通過VLIM 引腳進(jìn)行檢測。圖4 為相關(guān)充電IC 原理圖。

SOE 估計用來估計電池的能量狀態(tài)，常用于SOC估計的進(jìn)一步研究，SOC 與SOE 相互映射是進(jìn)行SOE 估計的基礎(chǔ)，簡單的用SOC 與SOE 相互映射的關(guān)系來估計SOE 并不準(zhǔn)確，主要原因是電池在實際運行工況下，HTPs 煙具運行過程中會產(chǎn)生多種能量消耗，使電池的實際SOE 估計難度增加，比如，煙具在短時間內(nèi)進(jìn)行全功率狀態(tài)(預(yù)熱狀態(tài)和高溫清潔狀態(tài)) 放電，在此期間電池的SOE 估計難度非常大，也稱之為未來工況。因此，SOE 估計受到未來工況[53]的影響較大。目前，通用的SOE 估計方法為：額定能量（W·h）=額定容量（A·h）×額定電壓（V），如菲莫公司的IQOS（型號：2.4P）18650 電池標(biāo)稱能量（11 W·h）=標(biāo)稱容量（2.9 A·h）×標(biāo)稱電壓（3.7 V）；云南中煙公司的W 產(chǎn)品18650 電池標(biāo)稱能量（8.14 W·h）=標(biāo)稱容量（2.2 A·h）×標(biāo)稱電壓（3.7 V）。隨著HTPs 煙具的逐漸發(fā)展，BMS 也將進(jìn)行升級換代。下一代煙具BMS 將不只是優(yōu)化硬件系統(tǒng)的性能，而更為注重SOF、SOE 估計軟件系統(tǒng)的研發(fā)。近幾年來盡管離線系統(tǒng)的機理模型研究、狀態(tài)估計研究等方面取得了不錯的進(jìn)展，但在線系統(tǒng)應(yīng)用方面仍有很大的研究空間。

2.6 IBS 參數(shù)檢測與信息存儲

圖4 BMS 充電IC 原理圖Fig. 4 Schematic diagram of charging ICs of BMS

IBS 參數(shù)檢測用于BMS 的數(shù)據(jù)采集，通過IBS模塊測量電池的充放電電流、電池端壓以及電池表面溫度。然后使用SPI（Serial peripheral interface）全雙工通信協(xié)議高速同步地以PWM（Pulse width modulation）斬波信號將采集結(jié)果發(fā)送至HTPs 煙具的控制單元、加熱單元以及充電單元。SPI 協(xié)議因其只使用四根線而大大節(jié)約了芯片的引腳，同時方便PCB 布線，節(jié)約空間，因此廣泛使用在HTPs 煙具中。菲莫公司的IQOS（型號：3.0 Multi）采用DS2780 作為IBS，如圖4（a）所示。電池充放電電流數(shù)據(jù)通過壓降檢測電阻RSNS 進(jìn)行采集，電池端壓數(shù)據(jù)通過VDD（引腳4）和VSS（引腳2）之間的連續(xù)電平信號進(jìn)行采集，電池表面溫度通過集成溫度數(shù)據(jù)傳感器NTC 進(jìn)行采集。在IBS 參數(shù)檢測方面，以菲莫公司的IQOS 為代表的公司基本都在使用由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成的集成傳感器，這類傳感器成本低、可靠性高、性能好、接口靈活，但是缺乏自診斷功能、記憶功能、多參量測試功能和物聯(lián)網(wǎng)功能。因此，微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化將是BMS 今后的發(fā)展方向。

信息存儲作為BMS 中不可或缺的一環(huán)，主要是將HTPs 煙具使用過程中產(chǎn)生的信息流以某種格式儲存在芯片內(nèi)部，使BMS 快速地、準(zhǔn)確地識別、定位和檢索存儲的信息。菲莫公司的IQOS（型號：3.0 Multi）DS2780 芯片的內(nèi)存空間為256 字節(jié)，其EEPROM 內(nèi)存可用于儲存HTPs 煙具模型參數(shù)、應(yīng)用程序操作參數(shù)和用戶信息。當(dāng)相對剩余有效容量超過設(shè)定邊界值4%時，自動觸發(fā)保護設(shè)備。累積電流寄存器和時間標(biāo)量寄存器會自動保存到EEPROM，防止超過4%的充電或放電數(shù)據(jù)丟失。用戶信息擁有永久內(nèi)存16 字節(jié)，用于儲存電池和BMS 的流水代碼、日期、診斷信息、電池尺寸、充放電參數(shù)、輔助模型數(shù)據(jù)等，且一旦鎖定，不允許寫操作。在信息存儲方面，國內(nèi)外HTPs 煙具普遍使用的EEPROM 內(nèi)存具有很強的耐用性，特別適用于小容量、高事務(wù)、低延遲的BMS，但是隨著云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)標(biāo)志著大數(shù)據(jù)時代的來臨，傳統(tǒng)的儲存方式開始無法滿足需求。因此，以云存儲為代表的虛擬儲存方法將更好的解決海量BMS 數(shù)據(jù)儲存和實時調(diào)用的難題。

2.7 故障診斷報警

故障診斷用于檢測突發(fā)故障并提供保護措施，主要包括過充電檢測、過放電檢測、過電流檢測、電池溫度檢測、PCB 溫度檢測、短路檢測、斷路檢測、加熱片溫度檢測和電池兼容性檢測等。

過充電檢測：電池充滿電后如果繼續(xù)充電，易造成電池端壓持續(xù)增加，當(dāng)端壓超出電池允許的充電截止電壓的一定范圍后，電池溫度將急劇上升從而導(dǎo)致煙具損壞甚至燃燒。因此電池充滿后需進(jìn)行過充電保護[54]。

過放電檢測：煙具擱置時間過長或者放電過于嚴(yán)重均是產(chǎn)生電池過放電的原因。電池過放電通常會導(dǎo)致煙具電池內(nèi)化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)過于嚴(yán)重，難以復(fù)原，造成電池壽命嚴(yán)重縮短。為了避免過放電現(xiàn)象對電池壽命的影響就需要對電池進(jìn)行過放電檢測。

過電流、過溫度檢測：電池充放電電流超出額定充放電電流一定范圍后均會出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。過電流現(xiàn)象會造成電路元件損壞，嚴(yán)重的話會造成煙具溫度過高甚至燃燒現(xiàn)象；過溫度檢測是指對煙具內(nèi)部PCB和電池表面等溫度進(jìn)行檢測。

短路檢測：是過電流檢測的一種極限形式，其控制過程和原理同過電流檢測一致，短路相當(dāng)于在電池正負(fù)極之間加上一個阻值無限小的電阻，致使保護板的負(fù)載電流瞬時達(dá)到10 A 以上，激活短路報警。

加熱片溫度檢測：在HTPs 煙具中，加熱片溫度需要恒定在340 ℃左右持續(xù)對煙草進(jìn)行“烘烤”。溫度過高會導(dǎo)致煙草烤煳，產(chǎn)生煳味[55]；溫度過低會導(dǎo)致煙霧量減小，影響抽吸體驗。

電池兼容性檢測：電池必須保持容量、輸入輸出電流電壓、芯片等嚴(yán)格符合HTPs 煙具的要求規(guī)格，否則會導(dǎo)致HTPs 煙具壽命縮短、損壞、不能正常工作甚至出現(xiàn)燃燒爆炸等安全事故。

圖5 DW01 鋰電保護IC 電路原理圖Fig. 5 Schematic circuit diagram of protecting IC by DW01 lithium battery

湖南中煙公司的P 產(chǎn)品故障診斷報警主要采用DW01 鋰電保護IC，具體電路原理圖如圖5 所示。過充電檢測：正常充電過程中，引腳3（OC）檢測到電池電壓高于過充電電壓（4.30±0.05） V，且引腳4（TD）檢測到延時時間超過規(guī)定時間（80 ms）時，引腳3（OC）由高電位變?yōu)榈碗娢唬瑫rMOS管M2 關(guān)斷，終止充電。過放電檢測：正常放電過程中，引腳1（OD）檢測到電池電壓低于過放電電壓（2.40 ±0.10） V，且引腳4（TD）檢測到延時時間超過規(guī)定時間（100 ms）時，引腳3（OC）由高電位變?yōu)榈碗娢?，同時MOS 管M1 關(guān)斷，終止放電。過電流檢測與短路檢測：電池正常工作過程中，若引腳2（CS）檢測到過電流或者短路的情況時，即引腳2（CS）電壓高于（140±30） mV，且引腳4（TD）檢測到延時時間超過規(guī)定時間（10 ms）時，引腳2（CS）由高電位變?yōu)榈碗娢?，回路關(guān)閉，終止工作。目前，BMS 在故障診斷方面已經(jīng)比較完善，但是仍然有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，如：電池或驅(qū)動漏電后的絕緣檢測診斷、電池兼容性檢測、電池碰撞擠壓后的碰撞檢測、硬件發(fā)生故障后的硬件功能檢測、軟件發(fā)生故障后的MCU 運行檢測等。

3 存在的問題及展望

BMS 發(fā)展至今，已經(jīng)由起初的監(jiān)控系統(tǒng)變?yōu)榱斯芾硐到y(tǒng)。目前國內(nèi)外各大煙草公司在售或在研的HTPs 煙具主流為電加熱型，均擁有自己的BMS，且各有不同的優(yōu)勢，但已有的BMS 仍然不夠完善。BMS 在以下幾個方面還有待完善：

（1）在電池溫度估計方面，目前為止包括英美煙草公司的glo、菲莫公司的IQOS、湖南中煙公司的P 產(chǎn)品以及云南中煙公司的W 產(chǎn)品在內(nèi)的國內(nèi)外各大煙草公司均以空冷、熱管冷卻、導(dǎo)熱材料（相變冷卻）3 種方法對電池系統(tǒng)進(jìn)行散熱，主要是考慮到煙具的體積、成本和安全性因素的影響。但是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，液冷、熱管液冷、新型導(dǎo)熱材料（相變冷卻）3 種散熱結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的散熱效率和散熱速度、長久的使用壽命，在未來必將成為HTPs 煙具電池溫度估計新的發(fā)展方向。

（2）在煙具電池SOC 估計方面，菲莫公司的IQOS、英美煙草公司的glo、云南中煙公司的W 產(chǎn)品、韓國的lil、四川中煙公司的寬窄功夫等國內(nèi)外煙草公司均采用開路電壓法進(jìn)行SOC 估計、LED 燈進(jìn)行顯示的方法。雖然SOC 估計方法種類很多，但是目前均是采用基于經(jīng)驗的方法，其缺點是基于經(jīng)驗的方法往往需要漫長的經(jīng)驗積累去發(fā)現(xiàn)總結(jié)規(guī)律，若電池相關(guān)參數(shù)變動則需要重新總結(jié)規(guī)律，普適性較差，而基于模型和數(shù)據(jù)擬合的方法只需先建立一個簡單粗糙的模型，然后用大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充進(jìn)而使模型不斷契合數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是基于模型和數(shù)據(jù)擬合的方法可以省去漫長的經(jīng)驗積累總結(jié)規(guī)律這一階段，通過簡單的模型和大量的數(shù)據(jù)節(jié)省漫長的研究時間，HTPs 煙具SOC 估計以后可加大基于模型和數(shù)據(jù)擬合方法的研究力度，尤其像卡爾曼濾波法、粒子濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及模糊控制法。

（3）在電池SOH 估計方面，目前為止，國內(nèi)外HTPs煙具（包括菲莫公司的IQOS等國內(nèi)外各大企業(yè)）尚無產(chǎn)品具有SOH 估計功能，但在手機行業(yè)和汽車行業(yè)已有應(yīng)用，如電池最大容量低于80%需更換電池；電池溫度過高，電池過充、過放導(dǎo)致的隱患及其隱患的排除方式等。HTPs 煙具SOH 估計功能關(guān)系到電池全壽命周期預(yù)測。電池的SOH 受溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間、截止電壓等多種因素影響。目前電池SOH 的研究和建模分析雖有一定成果，但仍處于定性研究階段。因此，未來SOH 估計將會成為HTPs 煙具的一個研究方向。

（4）在SOF、SOE 估計方面，菲莫公司的IQOS和云南中煙公司的W 產(chǎn)品通過檢測電池充放電過程中的電流、電壓、時間及其電芯溫度進(jìn)行SOC 估計。通過SOC 和電芯溫度的相關(guān)函數(shù)計算得到電池特性參數(shù)（SOF 估計）。目前，菲莫公司的IQOS 和云南中煙公司的W 產(chǎn)品的SOE 估計方法均為：額定能量（W·h）=額定容量（A·h）×額定電壓（V）。隨著HTPs 煙具的逐漸發(fā)展，BMS 也將進(jìn)行升級換代。下一代HTPs 煙具BMS 將不只是優(yōu)化硬件系統(tǒng)的性能，而更為注重SOF、SOE 估計軟件系統(tǒng)的研發(fā)。近幾年來盡管離線系統(tǒng)的機理模型研究、狀態(tài)估計研究等方面取得了不錯的進(jìn)展，但在線系統(tǒng)應(yīng)用方面仍有很大的研究空間。

（5）在IBS 參數(shù)檢測方面，以菲莫公司的IQOS為代表的公司基本都在使用由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成的集成傳感器。這類傳感器成本低、可靠性高、性能好、接口靈活，但是缺乏自診斷功能、記憶功能、多參量測試功能和物聯(lián)網(wǎng)功能，因此，微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化是今后HTPs煙具IBS 參數(shù)檢測的發(fā)展方向；在信息存儲方面，國內(nèi)外HTPs 煙具普遍使用的EEPROM 內(nèi)存具有很強的耐用性，特別適用于小容量、高事務(wù)、低延遲的BMS，但是隨著云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)標(biāo)志著大數(shù)據(jù)時代的來臨，傳統(tǒng)的儲存方式有些無法滿足需求，因此，以云存儲為代表的虛擬儲存方法將更好的解決HTPs 煙具BMS 海量數(shù)據(jù)儲存和實時調(diào)用的難題。

（6）在電池故障診斷方面，湖南中煙公司的P產(chǎn)品和韓國的lil 通過鋰電保護IC 對電池過充電、過放電、過電流（短路）、過溫度、電芯反接等故障進(jìn)行診斷，通過LED 燈閃爍和偏心電機振動提示故障問題。目前，HTPs 煙具BMS 在故障診斷方面已經(jīng)比較完善，但是仍然有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，如：電池或驅(qū)動漏電后的絕緣檢測診斷、電池兼容性檢測、電池碰撞擠壓后的碰撞檢測、硬件發(fā)生故障后的硬件功能檢測、軟件發(fā)生故障后的MCU 運行檢測等。