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，在很多場合下要組成串連蓄電池組來使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本，是擺在我們面前的重要問題。

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。對蓄電池組來說，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程中存在的單體電池不均衡的現(xiàn)象，筆者分析比較了目前的幾種均充方法，結(jié)合實(shí)際提出了無損均充方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)有的均衡充電方法

實(shí)現(xiàn)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(dá)到分流的作用。在這種模式下,當(dāng)某個(gè)電池首先達(dá)到滿充時(shí)，均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，繼續(xù)對未充滿的電池充電。該方法簡單，但會帶來能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。

2.在充電前對每個(gè)單體逐一通過同一負(fù)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(zhǔn)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(dá)到完全一致的理想效果。即使放電后達(dá)到同一效果，在充電過程中也會出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。

3.定時(shí)、定序、單獨(dú)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)蓄電池不會發(fā)生過充電或過放電的情況，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(yùn)用分時(shí)原理，通過開關(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(dá)到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復(fù)雜。

圖1 分時(shí)控制均充原理圖

5.以各電池的電壓參數(shù)為均衡對象，使各電池的電壓恢復(fù)一致。如圖2所示，均衡充電時(shí)，電容通過控制開關(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題，但該方法主要用在電池?cái)?shù)量較少的場合。

圖2 均衡電壓充電原理示意圖

6.整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，單體電池都有獨(dú)立的一套模塊。模塊根據(jù)設(shè)定程序，對各單體電池分別進(jìn)行充電管理，充電完成后自動斷開。

該方法比較簡單，但在單體電池?cái)?shù)多時(shí)會使成本大大增加，也不利于系統(tǒng)體積的減小。

無損均充電路

本文提出了一種無損均充電路。均充模塊啟動后，過充的電池會將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動態(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(jiān)控。

1 電路設(shè)計(jì)

N節(jié)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(gòu)成一個(gè)分流模塊Mi。

在一個(gè)充電周期中，電路工作過程分為兩個(gè)階段：電壓檢測階段（時(shí)間為Tv）和均充階段（時(shí)間為Tc）。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(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來控制開關(guān)狀態(tài)，對相應(yīng)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?qū)ㄗ饔茫械姆至髂K都會將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中，而M1則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。

2 開關(guān)管占空比的計(jì)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(yàn)公式來得出，其中V是電池的端電壓。

SOC＝－0.24V ²＋7.218V－  53.088 （1）

SOC是電池當(dāng)前容量與額定容量之比，SOC=Q/Q _TOTAL