微功耗清潔能源存貯系統

5 無(wú)損充電機

鋰離子動(dòng)力電池無(wú)損充電機采用整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓的充電方法，對電池實(shí)現無(wú)損充電。無(wú)損的含意有兩層，一是充電效率接近100%，充電功率基本無(wú)損耗，二是充、放電完全依據電池的特性曲線(xiàn)(請參考圖1)，電池本身在充、放電過(guò)程中完全無(wú)損害。該無(wú)損充電機免除電池管理系統，僅由簡(jiǎn)單的電路實(shí)現電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統的所有功能，無(wú)過(guò)充、過(guò)熱、過(guò)放、過(guò)流、短路現象，充電終了時(shí)所有單體電池的端電壓完全相等，無(wú)須進(jìn)行均衡充電，同時(shí)無(wú)易受干擾的復雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡(jiǎn)單實(shí)用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統充電機的十分之一。

整體串聯(lián)恒流充電的含義是：對于電池整體，進(jìn)行串聯(lián)充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源。單體并聯(lián)恒壓控制的含義是：每個(gè)單體電池都直接并聯(lián)一個(gè)并聯(lián)穩壓電路，所有并聯(lián)穩壓電路直接串聯(lián)，可以理解為，對整體電池進(jìn)行串聯(lián)恒流充電的同時(shí)，也對所有串聯(lián)的并聯(lián)電路進(jìn)行串聯(lián)恒流充電，串聯(lián)充電電流是流經(jīng)電池，還是流經(jīng)并聯(lián)穩壓電路，取決于電池充電時(shí)的實(shí)時(shí)端電壓。并聯(lián)穩壓電路的輸出電壓調整為電池充電終止電壓值3.75V，當某個(gè)與之并聯(lián)的單體電池端電壓充電到此電壓值時(shí)，并聯(lián)電路啟動(dòng)，串聯(lián)恒流充電電流流經(jīng)并聯(lián)穩壓電路，而不再流經(jīng)電池，該單體電池充電停止，其他單體電池繼續進(jìn)行串聯(lián)恒流充電，仿佛串聯(lián)恒流充電對直接串聯(lián)的整體電池和直接串聯(lián)的并聯(lián)穩壓電路這兩個(gè)支路同時(shí)進(jìn)行充電一樣，只不過(guò)充電的對象由并聯(lián)穩壓電路控制，因而得名單體并聯(lián)恒壓控制。上述整體串聯(lián)恒流充電、單體并聯(lián)恒壓控制的充電方法，具備串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有優(yōu)點(diǎn)，完全免除了串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有缺點(diǎn)。當充電終了時(shí)，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯(lián)的并聯(lián)穩壓電路的輸出電壓設定值3.75V。鋰離子單體電池之間，本來(lái)在容量、內阻、衰減、自放電等性能上存在差異，經(jīng)過(guò)無(wú)損充電后，個(gè)體之間的這種差異完全消失，當然再也不會(huì )發(fā)生過(guò)充、過(guò)熱現象。

圖8是無(wú)損充電機充電{5}的原理電路，其中E1=2.5V，E2=2.0V是單體鋰離子電池，V1是直流恒流恒壓電源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個(gè)并聯(lián)穩壓電路Va和Vb，分別和電池E1、E2并聯(lián)。V1通過(guò)電阻R1直接對鋰離子電池E1、E2串聯(lián)充電，當有一個(gè)電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達并聯(lián)穩壓電路Va設定的穩壓值時(shí)，齊納二極管D1開(kāi)通，并聯(lián)穩壓電路Va啟動(dòng)，串聯(lián)充電電流流經(jīng)三極管Q2，不再對E1充電，E1的端電壓也不再上升;與此同時(shí)，串聯(lián)充電電流繼續對E2充電，直到E2充到額定值時(shí)，充電電源V1才斷開(kāi)，串聯(lián)恒流充電終止。

圖8 整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓充電原理電路圖

圖8右邊分別是鋰離子電池E1、E2充電電壓的仿真波形，E1從2.5V開(kāi)始充電，當其端電壓充到3.75V后，充電曲線(xiàn)成直線(xiàn)，端電壓不再上升，率先進(jìn)入充滿(mǎn)和并聯(lián)穩壓狀態(tài)，V1繼續對E2充電;E2從2.0V開(kāi)始充電，其端電壓充到額定值時(shí)，充電曲線(xiàn)也成一直線(xiàn)，和E1的充電曲線(xiàn)重合，因為E2起始充電電壓較低，恒流充電時(shí)間較長(cháng)，較后進(jìn)入充滿(mǎn)和并聯(lián)穩壓狀態(tài)。

圖9是無(wú)損充電機放電(包括充電)的原理電路，Q5控制充電電源V1的接入和斷開(kāi)，Q6控制電池組的放電全過(guò)程。開(kāi)關(guān)S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路SW1和SW2，分別和單體電池E1、E2并聯(lián)，在放電過(guò)程中，E1、E2的端電壓總是大于D3、D5的擊穿電壓，開(kāi)關(guān)S3、S4閉合;同樣道理，開(kāi)關(guān)S2的控制邊(包括D4、R7)和整個(gè)電池組并聯(lián)，在放電過(guò)程中，整個(gè)電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開(kāi)關(guān)S2閉合。開(kāi)關(guān)S1的控制邊通過(guò)電阻R5和開(kāi)關(guān)S2、S3、S4和整個(gè)電池組并聯(lián)，于是開(kāi)關(guān)S1也閉合，驅動(dòng)電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導通，電池組向負載R4放電。

在放電過(guò)程中，當電池組中有一個(gè)單體電池，例如E1的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時(shí)，S3控制邊失電，S3斷開(kāi)，于是S1控制邊也失電，S1斷開(kāi)，驅動(dòng)電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組放電終止。當電池組過(guò)放、過(guò)流或外部短路時(shí)，電池組端電壓小于D1的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開(kāi)，于是S1控制邊也失電，S1斷開(kāi)，驅動(dòng)電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組停止放電，當過(guò)流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時(shí)單體電池若無(wú)過(guò)放電，則S3、S4閉合，于是S1也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開(kāi)通，電池組繼續對負載放電。

圖9 無(wú)損充電機放電原理電路圖

單體電池E1，連同與之并聯(lián)的并聯(lián)穩壓電路Va和開(kāi)關(guān)電路SW1，構成一個(gè)基本單元，此基本單元可以任意級聯(lián)，對任意數目的鋰離子動(dòng)力單體電池組成的電池組進(jìn)行充放電。