基于串連蓄電池組的均充技術(shù)研究

單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限，在很多場(chǎng)合下要組成串連蓄電池組來(lái)使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問(wèn)題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統的穩定性和減少成本，是擺在我們面前的重要問(wèn)題。

　　蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的物理性能。

　　此外，電池管理技術(shù)的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對蓄電池組來(lái)說(shuō)，除去上述原因，單體電池間的不一致性也是個(gè)重要因素。針對蓄電池充放電過(guò)程中存在的單體電池不均衡的現象，筆者分析比較了目前的幾種均充方法，結合實(shí)際提出了無(wú)損均充方法，并進(jìn)行了試驗驗證。

　　現有的均衡充電方法

　　實(shí)現對串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進(jìn)行均充，目前主要有以下幾種方法。

　　1.在電池組的各單體電池上附加一個(gè)并聯(lián)均衡電路,以達到分流的作用。在這種模式下,當某個(gè)電池首先達到滿(mǎn)充時(shí)，均衡裝置能阻止其過(guò)充并將多余的能量轉化成熱能，繼續對未充滿(mǎn)的電池充電。該方法簡(jiǎn)單，但會(huì )帶來(lái)能量的損耗，不適合快充系統。

　　2.在充電前對每個(gè)單體逐一通過(guò)同一負載放電至同一水平,然后再進(jìn)行恒流充電,以此保證各個(gè)單體之間較為準確的均衡狀態(tài)。但對蓄電池組，由于個(gè)體間的物理差異，各單體深度放電后難以達到完全一致的理想效果。即使放電后達到同一效果，在充電過(guò)程中也會(huì )出現新的不均衡現象。

　　3.定時(shí)、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進(jìn)行檢測及均勻充電。在對蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，能保證蓄電池組中的每一個(gè)蓄電池不會(huì )發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個(gè)蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。

　　4.運用分時(shí)原理，通過(guò)開(kāi)關(guān)組件的控制和切換，使額外的電流流入電壓相對較低的電池中以達到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復雜。

　　圖1 分時(shí)控制均充原理圖

　　5.以各電池的電壓參數為均衡對象，使各電池的電壓恢復一致。如圖2所示，均衡充電時(shí)，電容通過(guò)控制開(kāi)關(guān)交替地與相鄰的兩個(gè)電池連接，接受高電壓電池的充電，再向低電壓電池放電，直到兩電池的電壓趨于一致。

　　該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問(wèn)題，但該方法主要用在電池數量較少的場(chǎng)合。

　　圖2 均衡電壓充電原理示意圖

　　6.整個(gè)系統由單片機控制，單體電池都有獨立的一套模塊。模塊根據設定程序，對各單體電池分別進(jìn)行充電管理，充電完成后自動(dòng)斷開(kāi)。

　　該方法比較簡(jiǎn)單，但在單體電池數多時(shí)會(huì )使成本大大增加，也不利于系統體積的減小。

　　無(wú)損均充電路

　　本文提出了一種無(wú)損均充電路。均充模塊啟動(dòng)后，過(guò)充的電池會(huì )將多余的電量轉移到?jīng)]有充滿(mǎn)的電池中，實(shí)現動(dòng)態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監控。

　　1 電路設計

　　N節電池串聯(lián)組成的電池組，主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路，如圖3所示。圖中BTi是單體電池，Si是MOSFET，電感Li是儲能元件。Si、Li、Di構成一個(gè)分流模塊Mi。

　　在一個(gè)充電周期中，電路工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：電壓檢測階段（時(shí)間為T(mén)v）和均充階段（時(shí)間為T(mén)c）。在電壓檢測階段，均衡旁路電路不工作，主電源對電池組充電，同時(shí)檢測電池組中的單體電池電壓，并根據控制算法計算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計算所得的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對相應的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。

　　圖3 均充電路

　　除去連接在B1兩端的M1，所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向導通作用，所有的分流模塊都會(huì )將多余的電量從相應的電池轉移到上游電池中，而M1則把多余的電量轉移到下游的電池中。

　　2 開(kāi)關(guān)管占空比的計算

　　充電時(shí)電池的荷電狀態(tài)SOC（state of charge）可由下面的經(jīng)驗公式來(lái)得出，其中V是電池的端電壓。

　　SOC＝－0.24V 2＋7.218V－ 53.088 （1）

　　SOC是電池當前容量與額定容量之比，SOC=Q/Q TOTAL×100%。

　　通過(guò)把電壓檢測階段末期檢測到的電池電壓轉化為荷電狀態(tài)，而單節電池的儲存容量Qest,n與SOC存在相應的關(guān)系，Qest,n可以被估算出來(lái)。

　　在充電平衡階段，從主充器充入單節電池的電量是IchTcep。其中，Tcep為一個(gè)充電周期內均充階段的時(shí)間。為使在均充階段達到單節電池儲存容量的平衡，均充的目標Q tar應為：

　　但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉換是相互影響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計算。不過(guò)，Gauss-Seidel迭代法可以解決這個(gè)問(wèn)題。

期望的儲存容量Q n可以用下式來(lái)計算：

　　其中，I dis,n是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均電流，I o^,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Q tar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達到均充時(shí)的電荷量，Q n是期望的儲存容量，取Q tar＝Q n，即（2）、（3）相等。通過(guò)相應換算，得到占空比 的計算公式：

　　這里的函數f N只是一個(gè)示意函數，表示D n和D 2...D 3存在一定關(guān)系。

　　3 實(shí)驗設計

　　為了驗證本文的均衡充電方法，以?xún)晒潌误w電池組成的蓄電池組為例進(jìn)行實(shí)驗和分析，主要驗證旁路中開(kāi)關(guān)管對電壓的調節作用?？刂屏鞒桃?jiàn)圖4。

　　本實(shí)驗中，選用兩個(gè)小功率NPN管C1815(Q1、Q2)來(lái)替代開(kāi)關(guān)管，用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開(kāi)關(guān)。同時(shí)，蓄電池的端電壓V1和V2由差動(dòng)放大電路采集，經(jīng)A/D轉換送到CPU。在整個(gè)過(guò)程中，電壓每20ms采樣一次，每隔1s上傳上位機并保存并自動(dòng)繪制曲線(xiàn)。圖5為試驗電路圖。

　　圖5 實(shí)驗電路原理圖

　　圖6為根據采樣數值繪制的曲線(xiàn)。

　　圖6 充電過(guò)程中蓄電池端電壓曲線(xiàn)

　　實(shí)驗結果與分析

　　通過(guò)實(shí)驗結果可以看出，充電開(kāi)始時(shí)電壓相差為1.98V ，在經(jīng)過(guò)充電140s后，電壓相差值約為0.2V；在均充過(guò)程中，電池電壓有趨向一致的趨勢。均充方法能根據單體電池的差異，縮短蓄電池組之間的不一致性，使蓄電池組的整體性能得到提高，壽命延長(cháng)。

　　同時(shí)，從實(shí)驗結果來(lái)看，該方法也有效果不理想的地方，那就是兩節電池端電壓差值較大。究其原因，一是本實(shí)驗中用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代蓄電池，這和真實(shí)的蓄電池存在差別，無(wú)法達到理想的模擬狀態(tài)；二是本實(shí)驗主要是檢驗開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)對電壓的均衡影響，在很多環(huán)節上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些次要因素，而這些因素也對實(shí)驗結果有一定的影響。

　　但總的來(lái)說(shuō)，本實(shí)驗達到了預定的目的，證明了無(wú)損均充法的可行性。

　　圖4 控制流程

　　由于沒(méi)有現成的蓄電池，需用替代電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗。充電過(guò)程中蓄電池內阻和端電壓都在不斷變化，并且充電過(guò)程中電池蓄積能量，根據對蓄電池的物理性質(zhì)的分析和相關(guān)資料，采用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代單體蓄電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗。