礦用鋰電池組并聯(lián)均流電路的設(shè)計(jì)

尹 鵬，李良光， 陳兆權(quán)

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤礦分為低瓦斯礦與高瓦斯礦，低瓦斯礦井下的電機(jī)車供電一般采用架線直流電網(wǎng)供電，高瓦斯礦井下的電機(jī)車采用的是蓄電池供電。目前井下電機(jī)車常用的蓄電池是鉛酸蓄電池組[1]，但是鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境有污染，屬于國(guó)家政策性淘汰產(chǎn)品，而新興的磷酸鐵鋰電池具有污染較小等優(yōu)點(diǎn)[2]，所以從污染方面而言，鉛酸蓄電池以后會(huì)逐漸被新興的磷酸鐵鋰電池所取代。煤礦井下的電機(jī)車需要250 V或550 V的直流電壓和數(shù)百安的電流，鑒于煤礦安全規(guī)程的要求，礦井下面是個(gè)易燃易爆的環(huán)境，單體密封磷酸鐵鋰電池的容量不能太大，但要達(dá)到煤礦井下電機(jī)車的電壓和電流的要求，就需要將多組磷酸鐵鋰電池組并聯(lián)使用。當(dāng)磷酸鐵鋰電池組直接并聯(lián)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象，這種環(huán)流會(huì)使電池的能量白白浪費(fèi)，也會(huì)縮短電池的有效使用壽命。另外，由于電池組的端電壓不同或電池組的端電壓相同但內(nèi)阻不同，將電池組并聯(lián)使用時(shí)還會(huì)發(fā)生電流的不均衡現(xiàn)象。本文研究的是用磷酸鐵鋰電池組來代替鉛酸蓄電池給電機(jī)車供電時(shí)所產(chǎn)生的環(huán)流現(xiàn)象和電流的不均衡現(xiàn)象。為了提高電池的容量利用率和使用壽命，本文設(shè)計(jì)了電池組電流控制電路，以此電路來遏制環(huán)流，并達(dá)到各電池組電流均衡的目的。

1 環(huán)流實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用磷酸鐵鋰電池，將16節(jié)相同容量的磷酸鐵鋰單節(jié)電池先串聯(lián)形成一個(gè)電池組，串聯(lián)后容量為40 Ah，然后將2個(gè)電池組并聯(lián)（負(fù)極直接連接，正極之間串聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)電流表，每個(gè)電池組都并接電壓表，電流表正極接較高電壓電池組的正極，電流表負(fù)極接較低電壓電池組的正極）。電阻是用來放電的，電流表是顯示環(huán)流示數(shù)的，電壓表是顯示電池組的電壓變化，電路如圖1所示。

電池組1的初始電壓為53.46 V，電池組2的初始電壓為52.91 V。兩組電池的電壓差為0.55 V，選用電阻R為0.33 Ω。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示，電壓的變化為：105 min后，電池組1的電壓為53.33 V，電池組2的電壓為52.78 V。

從以上實(shí)驗(yàn)分析可以得出：當(dāng)電池組直接并聯(lián)時(shí)，電池組之間存在環(huán)流；電池組電壓與電池組存儲(chǔ)能量存在嚴(yán)格的關(guān)系，關(guān)系系數(shù)暫不能確定；表面現(xiàn)象為電池組1對(duì)電池組2充電，但實(shí)際上沒有充進(jìn)去電，因?yàn)殡姵匾怀潆?，充電電壓必須要高于一定電壓才能引起電池?nèi)部的化學(xué)變化。

2 電流的不均衡實(shí)驗(yàn)

針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了對(duì)環(huán)流加以控制，設(shè)計(jì)了電流的不均衡實(shí)驗(yàn)電路，如圖2所示。選用磷酸鐵鋰電池組作為實(shí)驗(yàn)用電池組，將16節(jié)相同容量的磷酸鐵鋰單節(jié)電池先串聯(lián)形成一個(gè)電池組，串聯(lián)后容量為40 Ah。充滿電后，電池組1電壓為53.9 V，電池組2電壓為50.39 V；放電負(fù)載電阻為2 Ω/4000W；二極管為200 A/100 V（肖特基二極管）。電壓表V1和電壓表V2用來監(jiān)測(cè)電池組兩端的電壓，防止電池組過放。

表1 環(huán)流實(shí)驗(yàn)電流隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)記錄

放電電流隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 電流不均衡實(shí)驗(yàn)放電電流隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)記錄

經(jīng)過幾次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果和上述的數(shù)據(jù)類似。對(duì)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：總電流的變化不是很大，其主要原因在于負(fù)載電阻兩端的電壓變化不大；兩個(gè)電池組同時(shí)放電，電壓較高的電池組先以較大電流放電，后以較小電流放電；電壓較低的電池組先以較小電流放電，后以較大電流放電。從分析結(jié)果可以得出：在每個(gè)電池組上串聯(lián)一個(gè)二極管對(duì)遏制環(huán)流效果很好，電池組與電池組之間沒有環(huán)流現(xiàn)象，但是由于電池組的端電壓不同或電池組的端電壓相同但內(nèi)阻不同，都會(huì)導(dǎo)致電流不均衡現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 均流電路設(shè)計(jì)及仿真研究

3.1 均流電路的設(shè)計(jì)

雖然在電池組上加二極管可以有效遏制環(huán)流的產(chǎn)生，但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，每個(gè)電池組的電流是不均衡的。在整個(gè)電流不均衡實(shí)驗(yàn)的過程中，電池組端電壓相同，但兩個(gè)電池組的端電壓都在同時(shí)減小。電壓較高的電池組先以較大電流放電，后以較小電流放電，電流由大變小，其原因在于該電池組的內(nèi)阻在逐漸增大；電壓較低的電池組先以較小電流放電，后以較大電流放電，電流由小變大，其原因在于該電池組的初期放電較少，電動(dòng)勢(shì)基本不變，而負(fù)載電壓下降。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，當(dāng)n個(gè)電池組并聯(lián)時(shí)，由于電流不均，單個(gè)電池組在部分時(shí)間內(nèi)放電電流過大，這樣放電的結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致電池組的性能下降、有效壽命縮短。為了減少對(duì)電池組的性能和壽命的影響，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電路來均衡電流，如圖3所示。

3.2 均流電路的工作原理

R1=0.1 Ω，R2=0.1 Ω，RL=2 Ω，E1=50.37 V，E2=53.8 V，根據(jù)基爾霍夫定律[3]，K閉合后，有：

RST1、RST2分別為 MOS 管 S1、S2的固有導(dǎo)通電阻，且RST1＜＜R1，RST2＜＜R2；δ1、δ2分別為 MOS 管 S1、S2的導(dǎo)通占空比。S1、S2的通斷由單片機(jī)來控制，通過控制S1、S2的導(dǎo)通占空比，可改變R1總和R2總的等效電阻值。

3.3 均流電路仿真及其分析

從圖4來看，兩路電流一開始相差很大，但經(jīng)過一段時(shí)間后就能達(dá)到很好的均流效果，可見圖3所示電路是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果較好的電池組均流控制電路。

4 結(jié)論

通過以上環(huán)流實(shí)驗(yàn)、電流的不均衡電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)、均流電路的設(shè)計(jì)及仿真，可以得出：使用圖3所示的電路，并給MOS管一個(gè)適當(dāng)?shù)拿}沖，就可以使并聯(lián)電池組的電流均衡，從而達(dá)到提高電池的容量利用率和使用壽命的目的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖3所示的均衡電路同樣適用于多路磷酸鐵鋰電池組并聯(lián)時(shí)的情況，故此電路值得推廣。

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[2]付亞娟，郭春雨，郝明明，等.磷酸鐵鋰材料的改性研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2010(9)：960-962.

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[4]吳鐵洲.HEV鋰離子電池組管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2010.