一種鋰電池充放電電流平衡算法的研究

葛海江

（杭州職業技術學院信電系，浙江 杭州 310018）

GEHai-jiang

一種鋰電池充放電電流平衡算法的研究

葛海江

（杭州職業技術學院信電系，浙江 杭州 310018）

針對鋰電池組中各電池容量不平衡導致電池過度充放電的問題，提出一種鋰電池充放電電流平衡算法。通過給每個電池并聯MOS管加限流電阻的負載實現電流的分流；在電流及電壓的測量過程中提出二次差值法來消除內部電路對AD采樣值的影響；對平衡算法的啟動時間、條件及相關參數進行了分析和計算；對兩節串聯的鋰電池進行電池電流平衡算法的測試。測試表明：經過平衡算法后，兩節電池的充放電電壓變化曲線接近一致，取得了滿意的電池電流平衡效果。

鋰電池；充放電；電流平衡算法；MOS管；二次差值法

在許多便攜式設備中，單節鋰電池的供電電壓或者電流往往不夠，需要進行多節同類電池串聯或并聯。當多節同類的串聯電池有不同的電池容量時，給電池進行充電或者放電時，傳統的方法是采用同樣的充電電流給多節電池一起充電，這樣會導致電池組的各個電池電壓充電不平衡，電壓高的電池先達到該電池的滿電壓，但總電壓不足，會繼續充電，從而造成該電池的過度充電；在放電時，往往是電池容量低的電池先耗電完，造成阻抗增加，使得整個電池組的供電能力減弱。電池組內的電池過度充電和放電，會損耗電池的壽命[1]。如兩節串聯電池存在10%的容量差異，大多數充電器只監控總電池電壓，充電時高容量的電池充電會上升到不安全的區域4.3 V以上。鑒于此，本文提出了一種鋰電池充放電電流平衡算法，在鋰電池充放電過程中對電池組進行電流平衡控制[2-3]，并通過兩節串聯的鋰電池對該平衡算法進行驗證，取得了滿意的電池電流平衡效果。

1 算法設計

1.1 電池充放電電流平衡原理

一般情況下，電池組內電池容量的差異在1%左右，如果電池組的電池有較高的溫度差異或者長時間不使用，電池容量的差異會在5%左右。兩個電池容量如果相差過大，則在充放電過程中需要對電池容量進行平衡操作。鋰電池充放電平衡算法的核心就是高容量電池有相對多余的電量，必須在充放電的時候被分流出去。電池充放電電流平衡采用給每個電池并聯負載的方式實現，采用MOS管串聯限流電阻的方法，如圖1所示。如果Cell1的電池電壓高于Cell2，那么讓Q1管導通，Q2關閉，使得Cell1的部分電流通過Q1旁路被分流掉，這樣會使得兩個電池在充、放電時，兩個電池電流達到平衡。因為電池在接近充好電和快放完電的時候，d/d有最大值，這時候啟動電池電流平衡程序將比在充放電中期花費的時間更少，因此建議采用這個時間來啟動平衡算法程序。

圖1 電池電流平衡方法

1.2 電池平衡負載功率計算

1.3 電池平衡負載選擇

1 h內負載需要的平衡電流為2 500×0.15=375(mA)，假設電池上的平衡負載為100Ω，則bal=4.2/100=42(mA)，功率bal為0.176W。如果充電器的充電時間為2 h，放電時間為4 h，一個完整的充放電周期共消耗電流為42×6=252(mA)，所以要完全消除電池不平衡，則需要兩個周期。如果減小負載到40Ω則只需要1個周期。為了使電流平衡效果達到最佳，建議平衡負載在40～200Ω。

1.4 鋰電池充電過程

將鋰電池充電分成三個階段：電池激活階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。

(1)當單個電池電壓在3.0 V以下時，電池先需要被激活，充電電流為0.05～0.15 A，這里設置act=0.06A；

(2)當單個電池電壓達到3.0 V時，進入恒流充電，充電電流為0.5～1 A，這里設置rap=0.8 A；

(3)當恒流充電到電壓為4.2 V時，進入恒壓充電，這里設置rap=4.2 V；

(4)當恒壓充電電流下降到0.07～0.2 A時，充電結束，這里設置stop=0.06 A；

鋰電池充電電流及電壓變化曲線參考文獻[4]。

2 硬件設計

為了有效地實現電池充放電流平衡算法，電池組中的各電池電壓及電流必須得到準確測量。

2.1 電池充放電流平衡的電流及電壓計算

帶有電池電流平衡的充電器電路結構如圖2所示，MCU采用Cypress公司PSoC系列的CY 8C24423器件。通過MCU的PWM信號來控制Q2和Q1，實現充電電流大小的調節；MOS管Q4、Q5直接受到IO口邏輯電平控制，高電平關斷，低電平導通；電池組中的各個電壓檢測點經過RC濾波連到MCU的AD轉換器；R23為高精度電阻，用于檢測電池組電流的大小。

電池組電流即流過R23的電流為：

圖2 鋰電池充放電電流平衡電路

為了消除內部運放和AD采樣電路對AD采樣值的影響，本文提出一種兩次差值法。在固件設計時，每次先屏蔽模擬輸入線（AMUX），測試出運放內部電路的1值，然后再通過固件將模擬輸入線與外部信號電路連上，測出2值，將兩者進行差值得到Δ，消除了內部電路對采樣值的影響。

2.2 電池充放電流平衡的算法設計

(1)電池放電狀態的電流平衡算法設計

鋰電池在進入深度放電后，阻抗會急劇增加，可達到幾個歐姆，使得×得到的電壓不是電池的真正電壓，因此在電流平衡算法設計時要避開這個階段。在放電狀態下，除了電壓本身的測量誤差外還需要加上電池內部阻抗的誤差值。經過實驗，這里選擇了電池有效使用時的中間電壓disch_mid= (3.0+4.3)/2作為切換點，當工作電流在1 A以下且電池電壓大于disch_mid時，電池的內部阻抗在0.2Ω以下，阻抗的微小變化不會對誤差電壓造成影響。

當滿足如下條件：兩節電池的電壓差異大于設定的最小平衡電壓(max－min＞disch_balmin)；較大的電池的電壓大于中間電壓時(max＞mid)，啟動放電狀態下電池電流平衡。disch_balmin包括測量誤差和阻抗誤差即disch_balmin=meas_err+in_err。meas_err為0.015 V，in_err為0.02 V，平衡算法流程如圖3所示。

(2)電池充電狀態的電流平衡算法設計

圖3 電池充放電電流平衡算法

鋰電池在充電狀態下，如果要避開阻抗差異造成的電壓誤差，最好的方法在進行電池電壓的測量時關閉充電功能。通過這種方式得到的電池電壓，有效消除了阻抗的影響，電壓的誤差就只存在測量誤差。因此在充電狀態下，在電池的整個充電過程中都可以應用電池平衡算法。

當滿足如下條件：兩節電池的電壓差異大于設定的最小平衡電壓；充電電流大于最小設定的充電電流，啟動充電狀態下電池電流平衡。，平衡算法流程如圖3所示。

(3)電池組內電池分流與MOS管旁路的邏輯控制

平衡電池1和平衡電池2是通過MCU的bal1和bal2的IO端口的邏輯電平進行控制，當bal1為0，bal2為1，則Q5導通，Q4截止，電池cell1通過旁路進行分流，達到平衡電池1的目的；電池2也類似。

3 測試及結論

設置電池電流平衡算法檢測的時間間隔為20 s，即每隔20 s就執行一次電池電流平衡算法，判斷是否需要進行電池的電流平衡操作。算法測試主要參數如下：

對兩節鋰電池進行電池電流平衡算法的驗證，通過采集串口輸出的數據，得到電池充放電電流變化曲線如圖4所示，電池充放電時的電流平衡活動與電池電壓變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，經過電池電流平衡算法后，兩電池的充電電壓變化曲線接近一致；第二次兩電池的電壓放電曲線跟第一次相比，效果明顯改善。該電池電流平衡算法有效地解決了因鋰電池組中各電池電壓不同，導致電池電流過度充電或過度放電的問題。通過簡單改變相關的參數，該算法可以廣泛應用于在充放電時多節電池需要電流平衡的場合。

圖4 電池充放電電流曲線

圖5 電池充放電時的電流平衡活動與電池電壓變化曲線

[1]王天福,劉強,李志強.動力鋰電池組充放電智能管理系統設計與實現[J].電源技術,2011,35(9):1069-1071.

[2]黃勤,嚴賀彪,凌睿.串聯鋰電池組無損均衡管理方案設計與實現[J].計算機工程,2011,37(12):226-229.

[3]吳鐵洲,陳學廣,張杰,等.HEV鋰離子串聯電池組混合均衡策略研究[J].華中科技大學學報：自然科學版,2011,39(2):102-104.

[4]牛黎明.鋰電池在線充放電管理電路的設計[J].電子技術應用, 2002(4):11-13.

Research on current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging

According to excessive charge and discharge problem lead by the capacity imbalance of each cellof Li-ion battery,a current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging process was proposed.Current shunting was achieved by paralleling a load of a MOS with a current-lim iting resistor to each cell.During the current and voltage measurementprocess，in order to elim inate the impactof the internalcircuiton AD sam pling value,tw ice difference method was proposed.Start-up time and conditions of the current-balancing algorithm and involving parameters were analyzed and calculated.The current-balancing algorithm was tested in the two-cellseries battery. Experimental results show that the charge and discharge voltage curves for two cells are nearly identicalby using the algorithm.Satisfactory battery current-balancing results were achieved.

Li-ion battery;charging and discharging;current-balancing algorithm;MOSFET;twice differencemethod

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0835-03

GEHai-jiang

2013-10-18

葛海江(1980—)，男，浙江省人，講師，主要研究方向為傳感器技術應用、無線通訊。