一種鋰電池組均衡充電管理電路設計

　　隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關注的焦點。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，可重復充電次數(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，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問題成為迫切需要解決的技術問題。本設計在充分考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎上，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。

　　1 鋰電池組充電方案選擇

　　1. 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。

　　圖1 鋰電池充電曲線

　　1. 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(jiān)控單體電壓變化的基礎上，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計方案。

　　2 系統(tǒng)設計及分析

　　2. 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。

　　圖2 系統(tǒng)整體框圖

　　2. 2 升壓電路

　　電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)由開關電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/ 5 A 直流電輸出。由于當前開關電源技術已經(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)。

　　升壓電路如圖3 所示。

　　圖3 升壓電路

　　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，Q2 、Q4 、U1 構(gòu)成場效應管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，開關電源的正負極輸出分別接到DC+ ，DC- ，開關管Q5 關斷。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周期內(nèi)的平均值為零?？傻茫?/P>

　　其中，UL 為電感兩端電壓在一個開關周期內(nèi)的平均值；U0 為輸出電壓；Ui 為輸入電壓；T 為開關周期；ton為Q3 處于通態(tài)的時間；toff 為Q3 處于斷態(tài)的時間。令UL = 0 ，在電感電流連續(xù)的工作過程中有：

　　其中因此只需要調(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。

　　在如圖4 所示的單體電池電壓監(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。

　　圖4 電壓監(jiān)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，與光耦的電流傳輸參數(shù)等無關，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 。

　　2. 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，從而實現(xiàn)電池組各單體電池充電速率同步。

　　其中