為了解決動力鋰電池組使用中的一致性問題，本文提出了一種均衡充電管理電路的實現(xiàn)方案。首先分析了單體鋰電池的特性,；然后在比較各種均衡充電理論的基礎(chǔ)上,，選擇部分分流法作為設(shè)計思路，進行具體電路設(shè)計,。多次鋰電池組充放電實驗表明，該均衡充電管理電路能有效改善電池組充電的一致性,，提高電池組工作性能,，延長使用壽命,。
隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關(guān)注的焦點,。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電壓,，內(nèi)阻完全一致,，使用一段時間以后，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。
鋰電池組充電方案選擇
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,，當電池端電壓達到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，當減小到10 mA 時,，認為充電終止,，充電曲線如圖1 所示。
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,。
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,，當忽略轉(zhuǎn)換效率時,，回饋不消耗能量，可實現(xiàn)動態(tài)均衡,。但由于回饋型設(shè)計控制方法復(fù)雜,，制造成本較高，本充電器采用能耗型設(shè)計,。
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,。通過機械觸點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旁路電阻，當某單體電池高于組內(nèi)其他電池時,，將充電電流的全部或一部分導(dǎo)入旁路電阻,。從而實現(xiàn)對各個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)計方案。
系統(tǒng)設(shè)計及分析
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)控電路將電池的實時電壓情況反饋給CPU ,，CPU 通過升壓電路實現(xiàn)對電池組整體充電電壓,、電流的控制。通過均衡電路實現(xiàn)各個單體電池充電速率調(diào)整,，以保證整個電池組充電的一致性,。
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,。由于當前開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)相當成熟，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,、電流進行實時調(diào)節(jié),。
其中R1 、R2 ,、Q1 構(gòu)成電源反接保護電路,，Q5 是整個升壓電路的開關(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，開關(guān)電源的正負極輸出分別接到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開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。
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，需要對每個電池的電壓情況進行實時監(jiān)控,，以保證每個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,，各個鋰電池的基準電平不同,。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電池的實時電壓進行比較,，就必須設(shè)計一定的電路,，將各個電池的電壓轉(zhuǎn)化到同一基準上。采取光耦隔離取樣的方法可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化,，考慮到線性光耦價格是普通光耦的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現(xiàn)電壓的采集和實時監(jiān)控,。
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普通光耦器件和兩個運算放大器。兩個光耦中,，一個用于輸出,，另外一個用于反饋。反饋用來補償發(fā)光二極管時間,、溫度特性上的非線性,。
鋰電池組均衡充電管理電源設(shè)計
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 。
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，當某一單體電壓明顯高于組內(nèi)其他電池時,，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。
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)實驗,，當Iequ≈0. 1 Icharge 時，調(diào)整能力和發(fā)熱量達到最佳平衡狀態(tài),。
由于充電時Ubat 的范圍為3~4 V ,，該充電電池標稱容量為2 000 mAh ，最大充電電流為2 A. 綜合上面因素,，R4 選擇將兩個47 Ω 電阻并聯(lián),。
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,。運用部分分流法設(shè)計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,，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)計過程中，充分考慮了實際生產(chǎn)的需求,。在保證實用性和可靠性的前提下,，簡化設(shè)計，選擇常用器件,，提高了性價比,，具有良好的應(yīng)用前景。