基于新型動力技術(shù)優(yōu)化鋰電池組的充電方案

作者：李靈杰；葉利福；詹群峰；陳文薌

隨著國際原油價(jià)格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。電能作為動力能源已經(jīng)在各種車輛上得到廣泛應(yīng)用。鋰電池以具有較高的能量質(zhì)量比和能量體積比，無記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn)成為動力電能的首選。

作為一種新型動力技術(shù)，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需求，單體性能的參差不齊并不全緣于電池生產(chǎn)技術(shù)問題，即使每只電池出廠時(shí)電壓，內(nèi)阻完全一致，使用一段時(shí)間以后，也會產(chǎn)生差異，這使得解決動力電池充電技術(shù)問題成為迫切需要解決的技術(shù)問題。本設(shè)計(jì)在充分考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，采用能耗型部分分流法對動力鋰電池充電進(jìn)行均衡管理，改善了電池組充電的不平衡性，提高了工作性能。

1 鋰電池組充電方案選擇

1. 1 單節(jié)鋰電池充電要求

對單節(jié)鋰離子電池的充電要求（ GB/ T18287 -2000） 首先是恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到4. 2 V （4. 1V） ，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到10 mA 時(shí)，認(rèn)為充電終止，充電曲線如圖1 所示。

圖1 鋰電池充電曲線

1. 2 鋰電池組充電特性

在動力電池組中由于各單體電池之間存在不一致性。連續(xù)的充放電循環(huán)導(dǎo)致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯(lián)電池組的容量是由單體電池的最小容量決定的，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。造成這種不平衡的主要原因有：

●電池制作過程中，由于工藝等原因，同批次電池的容量、內(nèi)阻等存在差異；

●電池自放電率的不同，經(jīng)長時(shí)間積累，造成電池容量的差異；

●電池使用過程中，使用環(huán)境如溫度、電路板的差異，導(dǎo)致電池容量的不平衡。

1. 3 充電方案選擇

為了減小不平衡性對鋰電池組的影響，在充電過程中，要使用均衡電路。

目前對于鋰電池組進(jìn)行均衡管理的方案主要有2種，能耗型和回饋型。能耗型是指給各個(gè)單體電池提供并聯(lián)支路，將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達(dá)到均衡目的?；仞佇褪侵竿ㄟ^能量轉(zhuǎn)換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或電池組中的某些單體。

理論上，當(dāng)忽略轉(zhuǎn)換效率時(shí)，回饋不消耗能量，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡。但由于回饋型設(shè)計(jì)控制方法復(fù)雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設(shè)計(jì)。

能耗型按能量回路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上，滿足一定條件時(shí)把單體電池的充電回路斷開，充電電流完全通過旁路電阻。通過機(jī)械觸點(diǎn)或電力電子部件組成的開關(guān)矩陣，動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu)。而分流并不斷開工作回路，而是給每只電池增加一個(gè)旁路電阻，當(dāng)某單體電池高于組內(nèi)其他電池時(shí)，將充電電流的全部或一部分導(dǎo)入旁路電阻。從而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)單體電池的均衡充電。 由于動力鋰電池組功率較大，在綜合考慮充電效率，熱管理等方面因素之后，我們使用部分分流法為充電器的設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

2. 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖2 系統(tǒng)框圖所示，工頻交流電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)化為18 V/ 5 A 的直流電輸出給升壓電路，升壓電路根據(jù)CPU 的控制信號為電池組充電提供一定的充電電流，電壓監(jiān)控電路將電池的實(shí)時(shí)電壓情況反饋給CPU ，CPU 通過升壓電路實(shí)現(xiàn)對電池組整體充電電壓、電流的控制。通過均衡電路實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池充電速率調(diào)整，以保證整個(gè)電池組充電的一致性。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2. 2 升壓電路

電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)由開關(guān)電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關(guān)電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/ 5 A 直流電輸出。由于當(dāng)前開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在此就不再贅述。

升壓電路的作用是將開關(guān)電源輸出的直流電調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為電池組充電所要求的電壓、電流，并能夠根據(jù)充電狀態(tài)對輸出電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

升壓電路如圖3 所示。

圖3 升壓電路

其中R1 、R2 、Q1 構(gòu)成電源反接保護(hù)電路，Q5 是整個(gè)升壓電路的開關(guān)，Q2 、Q4 、U1 構(gòu)成場效應(yīng)管Q3 驅(qū)動級電路，Q3 、L1 、D1 、C4 、C5 構(gòu)成BOOST 升壓調(diào)節(jié)電路，R9 、R10 、C6 為電壓采樣電路。

在充電器正常工作時(shí)，開關(guān)電源的正負(fù)極輸出分別接到DC+ ，DC- ，開關(guān)管Q5 關(guān)斷。CPU 根據(jù)電池監(jiān)控電路反饋的電壓計(jì)算出的PWM 占空比，輸出相應(yīng)的調(diào)制信號。PWM 調(diào)制信號經(jīng)過驅(qū)動級放大調(diào)整，控制Q3 開關(guān)狀態(tài)，以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。

由于穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零?？傻茫?/p>

其中，UL 為電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值；U0 為輸出電壓；Ui 為輸入電壓；T 為開關(guān)周期；ton為Q3 處于通態(tài)的時(shí)間；toff 為Q3 處于斷態(tài)的時(shí)間。令UL = 0 ，在電感電流連續(xù)的工作過程中有：

其中

因此只需要調(diào)節(jié)PWM 輸出的占空比，就能有效地控制電池的充電電壓。

由于單個(gè)鋰電池的電壓過小，為得到更大的工作電壓，一般需要將鋰電池串聯(lián)使用。電池組充電過程中，需要對每個(gè)電池的電壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證每個(gè)電池工作在正常工作狀態(tài)下，避免發(fā)生過充現(xiàn)象，損壞鋰電池。

串聯(lián)鋰電池電池組中，各個(gè)鋰電池的基準(zhǔn)電平不同。假設(shè)電池組中的電池電壓分別為a1 ， a2 ， ？，則對地第一節(jié)電池電壓為a1 ， 第二節(jié)電池電壓為a1 + a2 ， 以此類推。

在電壓監(jiān)控中我們需要對各個(gè)電池的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行比較，就必須設(shè)計(jì)一定的電路，將各個(gè)電池的電壓轉(zhuǎn)化到同一基準(zhǔn)上。采取光耦隔離取樣的方法可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化，考慮到線性光耦價(jià)格是普通光耦的10 倍以上，出于工程中成本控制需要，將普通光耦線性化連接以實(shí)現(xiàn)電壓的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在如圖4 所示的單體電池電壓監(jiān)控電路中，使用了同一型號同一批次的兩個(gè)普通光耦器件和兩個(gè)運(yùn)算放大器。兩個(gè)光耦中，一個(gè)用于輸出，另外一個(gè)用于反饋。反饋用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性上的非線性。

圖4 電壓監(jiān)控電路

在圖4 中：

其中： K1 ， K2 為電路中光耦U1 ，U2 的電流傳輸比。

由電路可知：

其中V bat 為電池兩端電壓。由于選用同一型號同一批次的光耦，所以電流傳輸比近似相等，即K1 = K2 。

所以，有：

從式（5） 可知，該測量電路的電壓增益只與電阻R1 ，R2 的阻值有關(guān)，與光耦的電流傳輸參數(shù)等無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了對電壓信號的線性隔離。經(jīng)如圖所示電路轉(zhuǎn)化后電池電壓被轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一參考地的輸出電壓Vout 。

2. 4 部分分流控制電路

如圖5 分流控制電路所示，充電過程中，當(dāng)某一單體電壓明顯高于組內(nèi)其他電池時(shí)，CPU 將控制端口拉高，則Q1 導(dǎo)通，Q2 基極電位被拉低，Q2 導(dǎo)通，部分電能從旁路電阻R4 分流，降低該電池充電速率，從而實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池充電速率同步。

其中Iequ 為旁路電阻R4 上所流過的電流，即均衡電流；P 為旁路電阻R4 上所消耗的功率；Ubat 為電池兩端電壓。

圖5 分流控制電路

均衡電流大小的選擇會直接影響充電器的性能。

電流大，充電器整體發(fā)熱量大，工作穩(wěn)定性差。電流小，電壓調(diào)整幅度小，速率可調(diào)整幅度小。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)Iequ≈0. 1 Icharge 時(shí)，調(diào)整能力和發(fā)熱量達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。

由于充電時(shí)Ubat 的范圍為3~4 V ，該充電電池標(biāo)稱容量為2 000 mAh ，最大充電電流為2 A. 綜合上面因素，R4 選擇將兩個(gè)47 Ω 電阻并聯(lián)。

3 結(jié)束語

由于單體鋰電池在制造工藝、工作環(huán)境等方面的差別，會造成鋰電池組串聯(lián)充電的不平衡性。運(yùn)用部分分流法設(shè)計(jì)的能耗型鋰電池組均衡充電器，良好地解決了電池組充電的不平衡問題。有效地防止過充現(xiàn)象，提高了鋰電池使用的安全性，增加了電池組的充電容量，延長了鋰電池組的使用壽命。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，選擇最適參數(shù)，控制了發(fā)熱量，保證了充電器的長期穩(wěn)定工作。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了實(shí)際生產(chǎn)的需求。在保證實(shí)用性和可靠性的前提下，簡化設(shè)計(jì)，選擇常用器件，提高了性價(jià)比，具有良好的應(yīng)用前景。

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