作為移動設(shè)備主流電池產(chǎn)品,，鋰電池電源逐漸往大功率,、大電流、高電壓供電設(shè)備發(fā)展,，這使得鋰電池往往需要串聯(lián)使用,。由于電池制造過程中的初始性能（如自放電率、容量等）不一致以及使用過程中由于電池內(nèi)外環(huán)境（如溫度）的不均勻造成老化速度不同[1],，使得電池的容量可能會不相同且它們之間的差異隨著使用時(shí)間增加,，嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的使用壽命及性能。
    為了充分利用串聯(lián)鋰電池組的全部電池容量,，需要在充放電過程中進(jìn)行電量均衡管理,。一般采用分流損耗[2-3]和電量轉(zhuǎn)移的方法[4-7]。前者是通過在各單串電池并聯(lián)分流旁路對容量高的電池串進(jìn)行放電損耗來進(jìn)行均衡,，這種方式電路結(jié)構(gòu)簡單,，但存在功率損耗大和發(fā)熱嚴(yán)重的問題；后者通常通過DC/DC隔離輸出電路將載荷高的電池電量轉(zhuǎn)移到較低的一串電池中,，這種均衡輸出都是對單串電池充電,，輸出電壓一般在4 V以下，整流損耗很大,，通常效率低于80%,，電路結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，且需要隔離耦合,。還有一種電量搬遷的方法[8],，把超級容量電容或另外一個(gè)電池作為中間載體，在電量高,、低的兩串電池之間反復(fù)進(jìn)行充放電切換實(shí)現(xiàn)均衡,，但這種無源被動式充放電需要電池與中間載體電壓差在0.1 V,，因此兩串電池之間電壓差在0.2 V以上，均衡偏差大,，速度慢,，很難跟上充電放電速度。本文設(shè)計(jì)分?jǐn)嗍骄獾匿囯姵亟M電源管理系統(tǒng),，采用分?jǐn)?串接切換的方式實(shí)現(xiàn)對電池組的均衡管理,，避免傳統(tǒng)均衡方式的能量損耗和轉(zhuǎn)換效率低的問題，同時(shí)在充電過程中借助DC電源線與充電器進(jìn)行通信,，以適應(yīng)不同串?dāng)?shù)鋰電池組的充電電壓范圍,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    鋰電池電源管理系統(tǒng)包括電池組電源模塊和充電電源模塊（充電器）。圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖,。兩個(gè)模塊均采用STC單片機(jī)作為微處理單元(MCU),。電壓檢測/控制電路定時(shí)對鋰電池組進(jìn)行電壓采樣，并控制分?jǐn)?串接切換電路對電池組進(jìn)行分?jǐn)嗑?。充電過程中,，電池組電源模塊通過脈沖信號調(diào)制電路將信息經(jīng)DC電源線發(fā)送至充電電源模塊，由電流脈沖信號解調(diào)電路完成信號的檢測,，實(shí)現(xiàn)兩模塊間的通信,。同時(shí)，通過輸出電壓控制電路,，根據(jù)鋰電池組的電壓狀態(tài)或不同串?dāng)?shù),，調(diào)節(jié)AC/DC開關(guān)電路輸出的充電電壓電流，實(shí)現(xiàn)安全,、高效的充電,。

2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)
2.1 分?jǐn)?串接切換電路
    本設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?串接切換電路對串聯(lián)鋰電池組進(jìn)行均衡管理。其原理是各串電池能量差別較大時(shí),，將容量較低的電池串從電池組中分離斷開,，閑置一定時(shí)間后再將它重新串接到電池組中，由此實(shí)現(xiàn)各串電池的均衡放電或充電,。
    圖2所示為4串鋰電池組分?jǐn)?串接切換電路,。每串鋰電池(B1～B4)均與一個(gè)單刀雙擲繼電器(S1～S4)連接。若電池組處于放電狀態(tài),，MCU將對最高電壓和最低電壓進(jìn)行比較，如果差值ΔV超過設(shè)定的閾值,，MCU控制相應(yīng)的繼電器進(jìn)行切換,，使放電電流從繼電器另一觸點(diǎn)繞過，直至電壓差值ΔV小于閾值,，再將它重新串入到電池組中再次工作,。這樣，通過反復(fù)的檢測-分?jǐn)?串接過程，實(shí)現(xiàn)鋰電池組各串之間的放電均衡,。

    若電池組處于充電狀態(tài),，當(dāng)檢測到某串電池已經(jīng)飽和時(shí)，為避免飽和的一串電池由于IC保護(hù)電路防止過充而關(guān)斷充電回路,，則將該電池串分?jǐn)?，充電電流繞過該電池串繼續(xù)給其他電池充電，從而解決了電池組充電均衡的問題,。
    系統(tǒng)實(shí)際工作中,，繼電器的觸點(diǎn)切換通常需要幾毫秒到十毫秒的時(shí)間。在這段時(shí)間里,，為了避免出現(xiàn)供電電流中斷的情況,，在各串電池間并聯(lián)一個(gè)二極管(D1～D4)。正常工作時(shí),，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài),；而繼電器觸點(diǎn)切換期間，二極管保持正向?qū)?，以保證電流持續(xù)輸出,。
2.2 脈沖信號調(diào)制電路
    為實(shí)現(xiàn)電池組電源模塊和充電器之間的通信，本文采用了DC充電電源線傳輸電流脈沖信號的方法,，無需增加專用的物理信道,，操作方便。
    圖3所示為脈沖信號調(diào)制電路,。整個(gè)電路由電阻Rd和MOS管Q0串聯(lián)組成,，在電池組前端充電線上并聯(lián)接入。通信時(shí),，MCU控制MOS管Q0導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生一定頻率（如1 kHz,、2 kHz等）的脈沖電流，這些電流脈沖疊加在直流充電電流上,，不同的頻率代表不同的控制信息,。此外，為了防止電池組,、Rd和MOS管Q0形成放電回路,，在電池組前端加入二極管D0作為隔離。

2.3 電流脈沖信號解調(diào)電路
    DC電源線上電流脈沖信號的解調(diào)將采用瞬間脈沖電流與積分電流比較的方法,。
    圖4所示為電流脈沖信號解調(diào)電路,。Rs為電流采樣電阻，可以采集充電回路中的脈沖電流信號,。比較器U4A同相輸入端與R12和R14組成分壓電路相連,，反向輸入端則連接由R13和C4構(gòu)成的RC積分電路,。通常情況下，積分電流大于瞬間脈沖電流,，即反相輸入端電壓略高于同相輸入端,，使輸出端輸出低電平。當(dāng)電流脈沖信號到來時(shí),，瞬間脈沖電流大于積分電流,，輸出高電平。為了防止回路中干擾信號引起的電流抖動造成誤判斷,，再加入一級比較器U4B,。這樣就將電流脈沖信號還原成了原始頻率的控制信號。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件程序設(shè)計(jì)分為充電器端和電池組電源模塊端兩部分,。限于篇幅,，本文只給出了電池組電源模塊主程序流程圖，如圖6所示,。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能分析
    圖7為4串鋰電池電源管理系統(tǒng)中各串電池在充放電狀態(tài)下的電壓值變化和均衡曲線,。

    圖7(a)中，對初始電壓分別為3.85 V,、3.76 V,，3.81 V和3.82 V的4串電池B1～B4進(jìn)行串聯(lián)充電。充電開始時(shí),，雖然電池串B2的電壓值最低,，但由于其容量較其他電池串小，在100 min時(shí),，其電壓值先達(dá)到了4.20 V,，MCU隨即將B2從電池組中分?jǐn)喑鰜恚Ｓ嚯姵卮畡t繼續(xù)充電,。直至120 min時(shí),，整個(gè)串聯(lián)電池組完成充電。
    圖7（b）所示為放電均衡電壓曲線,。實(shí)驗(yàn)采用20 Ω恒定阻值的放電方式,，且設(shè)定切換閾值≥0.1 V，每隔5 min檢測一次,。由圖7（b）可知,，電池串B2的初始電壓值最低，為4.10 V,。隨著放電過程的進(jìn)行,，B2的電量消耗越來越快，電壓差值ΔV也越來越大,。70 min時(shí),，B2電壓值(3.74 V)與B3電壓值(3.84 V)的差值ΔV達(dá)到0.1 V。此時(shí),，MCU控制繼電器分?jǐn)郆2,，停止其放電工作。5 min后,，經(jīng)再次檢測,，B2電壓值(3.74 V)與最高電壓3.78 V差值小于0.1 V，則重新將其串入電池組中繼續(xù)參與放電,。同理,，在90 min和105 min時(shí)，B2和B1也分別被分?jǐn)嚅e置了5 min,，達(dá)到了放電均衡的效果,。
    實(shí)驗(yàn)表明，采用分?jǐn)嗑獾姆绞?，避免了單串電池充電過快導(dǎo)致的電池組整體被迫停止充電的情況,。而在放電過程中，電池組中最高電壓值與最低電壓值的差值ΔV始終控制在0.1 V內(nèi),，有效防止了各電池串電能出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象,。
    本文針對串聯(lián)鋰電池組電源管理問題，設(shè)計(jì)了對低容量電池分?jǐn)嗟姆绞絹磉M(jìn)行串聯(lián)鋰電池組均衡,，無需DC/DC隔離變換電路,，避免了轉(zhuǎn)移過程中低壓DC輸出的低效率及其能量損失。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直接采用DC電源線兼?zhèn)湫盘杺鬏斁€的通信方法,，既達(dá)到充電控制目的,，又簡化了結(jié)構(gòu)及操作。整個(gè)系統(tǒng)為提高電池組整體使用性能和壽命提供了一種行之有效的解決方案,。
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