一種鋰電池組均衡充電管理電路設計

　　隨著(zhù)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(dòng)力能源已經(jīng)在各種車(chē)輛上得到廣泛應用。鋰電池以具有較高的能量質(zhì)量比和能量體積比，無(wú)記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命較長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)成為動(dòng)力電能的首選。

　　作為一種新型動(dòng)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(wèn)題，即使每只電池出廠(chǎng)時(shí)電壓，內阻完全一致，使用一段時(shí)間以后，也會(huì )產(chǎn)生差異，這使得解決動(dòng)力電池充電技術(shù)問(wèn)題成為迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。本設計在充分考慮工業(yè)成本控制和穩定性要求的基礎上，采用能耗型部分分流法對動(dòng)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 單節鋰電池充電要求

　　對單節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(zhù)充電過(guò)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，電流根據電芯的飽和程度，隨著(zhù)充電過(guò)程的繼續逐步減小，當減小到10 mA 時(shí)，認為充電終止，充電曲線(xiàn)如圖1 所示。

　　圖1 鋰電池充電曲線(xiàn)

　　1. 2 鋰電池組充電特性

　　在動(dòng)力電池組中由于各單體電池之間存在不一致性。連續的充放電循環(huán)導致的差異，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(guò)程中，由于工藝等原因，同批次電池的容量、內阻等存在差異；

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

　　●電池使用過(guò)程中，使用環(huán)境如溫度、電路板的差異，導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(guò)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(guò)高的單體電池通過(guò)分流轉移電能達到均衡目的?；仞佇褪侵竿ㄟ^(guò)能量轉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，當忽略轉換效率時(shí)，回饋不消耗能量，可實(shí)現動(dòng)態(tài)均衡。但由于回饋型設計控制方法復雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設計。

　　能耗型按能量回路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監控單體電壓變化的基礎上，滿(mǎn)足一定條件時(shí)把單體電池的充電回路斷開(kāi)，充電電流完全通過(guò)旁路電阻。通過(guò)機械觸點(diǎn)或電力電子部件組成的開(kāi)關(guān)矩陣，動(dòng)態(tài)改變電池組內單體之間的連接結構。而分流并不斷開(kāi)工作回路，而是給每只電池增加一個(gè)旁路電阻，當某單體電池高于組內其他電池時(shí)，將充電電流的全部或一部分導入旁路電阻。從而實(shí)現對各個(gè)單體電池的均衡充電。 由于動(dòng)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計方案。

　　2 系統設計及分析

　　2. 1 系統整體結構

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

　　圖2 系統整體框圖

　　2. 2 升壓電路

　　電能的輸入轉化環(huán)節由開(kāi)關(guān)電源電路和調壓電路兩部分組成。開(kāi)關(guān)電源將輸入的工頻交流電轉化為18V/ 5 A 直流電輸出。由于當前開(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸出的直流電調節轉化為電池組充電所要求的電壓、電流，并能夠根據充電狀態(tài)對輸出電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調節。

　　升壓電路如圖3 所示。

　　圖3 升壓電路

　　其中R1 、R2 、Q1 構成電源反接保護電路，Q5 是整個(gè)升壓電路的開(kāi)關(guān)，Q2 、Q4 、U1 構成場(chǎng)效應管Q3 驅動(dòng)級電路，Q3 、L1 、D1 、C4 、C5 構成BOOST 升壓調節電路，R9 、R10 、C6 為電壓采樣電路。

　　在充電器正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的正負極輸出分別接到DC+ ，DC- ，開(kāi)關(guān)管Q5 關(guān)斷。CPU 根據電池監控電路反饋的電壓計算出的PWM 占空比，輸出相應的調制信號。PWM 調制信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)級放大調整，控制Q3 開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。

　　由于穩態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均值為零?？傻茫?/P>

　　其中，UL 為電感兩端電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均值；U0 為輸出電壓；Ui 為輸入電壓；T 為開(kāi)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 ，在電感電流連續的工作過(guò)程中有：

　　其中因此只需要調節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(guò)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(guò)程中，需要對每個(gè)電池的電壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，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(guò)充現象，損壞鋰電池。

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

　　在電壓監控中我們需要對各個(gè)電池的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行比較，就必須設計一定的電路，將各個(gè)電池的電壓轉化到同一基準上。采取光耦隔離取樣的方法可以實(shí)現電平轉化，考慮到線(xiàn)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(xiàn)性化連接以實(shí)現電壓的采集和實(shí)時(shí)監控。

　　在如圖4 所示的單體電池電壓監控電路中，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(lái)補償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性上的非線(xiàn)性。

　　圖4 電壓監控電路

　　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等無(wú)關(guān)，從而實(shí)現了對電壓信號的線(xiàn)性隔離。經(jīng)如圖所示電路轉化后電池電壓被轉化為具有統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(guò)程中，當某一單體電壓明顯高于組內其他電池時(shí)，CPU 將控制端口拉高，則Q1 導通，Q2 基極電位被拉低，Q2 導通，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)現電池組各單體電池充電速率同步。

　　其中