串聯(lián)蓄電池組均衡充電系統(tǒng)

用蓄電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車在使用中可實(shí)現(xiàn)零污染, 因此, 它能有效解決汽車排污和能源問題[1]。鉛酸蓄電池以其具有密封好、無污染等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車的主動(dòng)力源。一般的電動(dòng)汽車都使用蓄電池組來提供動(dòng)力，這些電池組由單體電池串聯(lián)而成，這樣就存在充電放時(shí)單體容量之間的不一致性問題，從而影響蓄電池的使用壽命和效能以及系統(tǒng)的可靠性。因此充放電時(shí)對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡控制是十分必要的。

1 不一致性原因及解決方法

針對(duì)不一致性問題[2]的解決方法大致有四種：(1)在制造工藝上保證出廠質(zhì)量，減小單體之間的差異性；(2)蓄電池組各蓄電池單體參數(shù)一致性的嚴(yán)格篩選；(3)使用過程中盡量使各單體處于相同的環(huán)境中，定時(shí)測(cè)量各蓄電池的電壓分布情況，及時(shí)更換電壓偏離正常值太大的蓄電池單體；(4)配置蓄電池組均衡充電系統(tǒng)。

通過分析很容易得到，前面三種方案雖然可行，但是會(huì)給廠家?guī)砗艽蟮膲毫ΑＤ壳拜^為合理的方案是采用獨(dú)立均衡充電系統(tǒng)，能有效減小單體在充電時(shí)的不一致性，讓蓄電池的使用效能和壽命達(dá)到最大化。

2 單體容量不一致性的影響

組成電池組的各電池的內(nèi)阻、容量等參數(shù)的不一致性, 會(huì)使電池組中容量低的電池更容易過充電和過放電,致使電池組陷人電池極板硫化加劇、容量差距進(jìn)一步擴(kuò)大的惡性循環(huán)之中[3]。這不僅縮短了電池使用壽命, 還會(huì)因?yàn)殡姵貥O板硫化而使其內(nèi)阻增大并使有效活性物質(zhì)減少,導(dǎo)致電池組充放電能量轉(zhuǎn)換效率、輸出功率及電動(dòng)汽車的動(dòng)力性下降。

3 均衡方案

現(xiàn)今有很多均衡方法[4-6]，例如涓流均衡，此方案簡(jiǎn)單易行，但當(dāng)電池組之間差異很大時(shí)，會(huì)使單體電池出現(xiàn)過充，嚴(yán)重影響電池壽命。放電均衡，只能在理想狀態(tài)下使用，由于個(gè)體電池的物理差異，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(huì)出現(xiàn)新的不均衡。電阻并聯(lián)均衡，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但此方案會(huì)帶來嚴(yán)重的能量損耗，且不適合快充系統(tǒng)，在電池容量較大時(shí)存在電阻散熱問題。通過分析研究現(xiàn)有均衡方案的優(yōu)缺點(diǎn),筆者研制了一種基于單片機(jī)控制、采用PWM分流法對(duì)電池的外部參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和分析,實(shí)現(xiàn)均衡充電,從而克服電池間的不一致性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，提高電池組使用效率。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

Q1(i=1~n); Di, Li(i=1~(n-1))構(gòu)成一個(gè)分流模塊，控制MOSFET來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電、恒壓充電以及浮充，將能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池，從而實(shí)現(xiàn)均衡充電。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為了達(dá)到更好的均衡效果，在充電開始瞬間就應(yīng)該開啟獨(dú)立均衡模塊，使所有單體電池電壓均衡到同一水平，然后再讓所有單體電壓以同一斜率上升直至電池容量達(dá)到最大[7]。
4 硬件電路的設(shè)計(jì)
獨(dú)立均衡充電系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)主要包括控制模塊、檢測(cè)模塊、顯示及報(bào)警模塊等?？刂颇K是系統(tǒng)的核心，由LPC935單片機(jī)及其外圍電路組成，包括單體電池電壓、電流以及溫度的數(shù)據(jù)采樣和分析控制。電壓檢測(cè)電路中通過光耦隔離，降低了電池電壓對(duì)電壓采集電路的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，為了防止涌浪電壓損壞單片機(jī)的I/O口，采用了穩(wěn)壓電路。根據(jù)電路可得到輸入與輸出的關(guān)系表達(dá)式：
　
通過調(diào)節(jié)R26/R25的比值來獲得合適范圍內(nèi)的輸出電壓VO。其中K為比例系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)可確定。圖2為電壓采集電路圖。

電流檢測(cè)電路由電流檢測(cè)放大器芯片MAX4070和R13(5 m?贅精密電阻)構(gòu)成。MAX4070共模輸入范圍從1.35 V~24 V，輸出誤差小于1.5%且與電源電壓無關(guān)，這樣即使測(cè)量一組已深度放電的電池時(shí)，也能保證精確的檢測(cè)電流反饋。MAX4070選擇100 V/V的增益。圖3所示為單體電池電流檢測(cè)電路。

溫度檢測(cè)電路由數(shù)字化傳輸?shù)臏囟葌鞲衅鱀S18B20組成。當(dāng)被檢測(cè)的溫度在-10~+85時(shí)，精度為±0.5℃，完全符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求?？紤]到浮充電壓與溫度存在緊密的關(guān)系，浮充電壓只要有5%的誤差就足以使電池壽命縮短一半，因此溫度測(cè)量的精度要求很高。一旦溫度過高會(huì)對(duì)電極造成傷害，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用-3 mV/℃的溫度補(bǔ)償系數(shù)(對(duì)于單層2 V電池）。由于采用線性補(bǔ)償方式較階梯補(bǔ)償方式更為合理，因此采用線性補(bǔ)償[7]。浮充電壓與溫度補(bǔ)償關(guān)系為:
Vf=V1-(t-tb)×0.003 (2)
式中Vf為浮充電壓；V1為標(biāo)準(zhǔn)溫度tb下的浮充電壓閾值[8]。t為電池充電時(shí)的溫度。
MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，通過設(shè)置參考值和檢測(cè)值進(jìn)行比較來決定MOSFET是否導(dǎo)通，如果MOSFET導(dǎo)通，電能儲(chǔ)存在L1中，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，L1為了續(xù)流，這樣就構(gòu)成L1、B2、VD1回路，L1中的能量就轉(zhuǎn)移到B2中，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。參考值的設(shè)定要通過實(shí)驗(yàn)來獲得。電池組末端電池能量通過反激式變壓器回到充電總線上。通過上述分析，能量總是從電壓比參考值高的單體傳遞到比參考值低的單體上，這樣避免了單體的過充或欠充現(xiàn)象的出現(xiàn),很好地保護(hù)了蓄電池組。為了使儲(chǔ)能的電感的能量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)不積累，在控制開關(guān)管時(shí)，應(yīng)使占空比D≤0.5[9]。為了加快開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷速度，在電路中設(shè)計(jì)了負(fù)電荷吸收電路。

5 PWM分流實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)以三節(jié)不一致性較大的松下12 V/7AH蓄電池串聯(lián)成36 V系統(tǒng)，溫度補(bǔ)償系數(shù)在原來2 V的基礎(chǔ)上乘以6。采用一個(gè)48 V的直流電源模擬充電機(jī)。通過檢測(cè)單體電池端電壓變化情況來控制PWM分流。
采用三段式，即首先采用蓄電池可以接受的最大充電電流加速充電。在充電過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓的變化情況，當(dāng)端電壓快達(dá)到過充電壓時(shí)，降低充電電流，避免過充電反應(yīng)。然后，采用一恒定電壓充電并檢測(cè)充電電流，直到充電電流減小到0.05 A，表明蓄電池的容量已經(jīng)恢復(fù)到100%，然后進(jìn)行浮充以彌補(bǔ)蓄電池的自放電損失。
由表1的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在未采用分流法做實(shí)驗(yàn)時(shí)，在48V的充電電壓下，各單體端電壓存在較大差異性。充電開始后，三節(jié)蓄電池全部開始充電且充電電流相等，由于第一節(jié)電池初始電壓較高，它的端電壓上升迅速，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到1 h后，電池端電壓不再升高，表明電池容量達(dá)到最大，繼續(xù)充電后第一節(jié)電池造成過充電現(xiàn)象，電池極板極化加劇，端電壓開始下降。然而第二、三節(jié)電池由于初始電壓較低，直到第一節(jié)電池端電壓下降時(shí)，端電壓還處在上升狀態(tài)，表明第二、三節(jié)電池沒有完全充滿，存在欠充現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)分析可得出沒有采用獨(dú)立均衡系統(tǒng)的充電方法，會(huì)造成單體電池過充和欠充現(xiàn)象，導(dǎo)致電池的不一致性加劇，嚴(yán)重影響了電池的使用壽命和效能。其次通過分析表1可知，經(jīng)過獨(dú)立均衡系統(tǒng)后第二、三節(jié)電池的端電壓上升，而第一節(jié)電池端電壓有所下降，各節(jié)電池端電壓逐漸趨于接近。

通過分析比較，蓄電池組充電時(shí)采用獨(dú)立均衡系統(tǒng)時(shí)，各節(jié)電池的不一致性逐漸變小，同時(shí)達(dá)到充電終止電壓，從而說明該方案是可行的。
最后為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性以及上述實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本文還做了基于Matlab的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。由仿真波形可見，三節(jié)電池初始端電壓相差較大，其中電池a與電池b端電壓相差較小所以較電池b與電池c先達(dá)到端