動(dòng)力鋰電池組充電管理電路設(shè)計(jì)

東莞新能源科技有限公司 李新宏

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動(dòng)力鋰電池組充電管理電路設(shè)計(jì)

東莞新能源科技有限公司 李新宏

【摘要】在動(dòng)力鋰電池組的運(yùn)用過程中有一個(gè)必須解決的問題就是一致性問題。本文通過分析單體鋰電池的重要特征，并對(duì)均衡充電理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和比較，從而對(duì)動(dòng)力鋰電池組充電管理電路進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)方案能夠取得良好的效果，有效的延長(zhǎng)動(dòng)力鋰電池組的使用壽命，提高其工作性能，對(duì)其充電的一致性進(jìn)行了有效的改善。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)力鋰電池組；充電管理；電路設(shè)計(jì)

當(dāng)前很多世界先進(jìn)國(guó)家都已經(jīng)開始開發(fā)并使用以電能作為動(dòng)力能源的汽車。在動(dòng)力電能的電池選擇方面，動(dòng)力鋰電池可以重復(fù)多次充電，具有較強(qiáng)的使用壽命，而且無記憶效應(yīng)，其能量體積比和能量質(zhì)量比都較高，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

1 動(dòng)力鋰電池組充電管理電路設(shè)計(jì)的必要性

設(shè)計(jì)動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路的目的在于解決電池組充電不平衡的問題，從而對(duì)動(dòng)力鋰電池組的充電進(jìn)行均衡管理。在現(xiàn)有的新型動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)上，必須對(duì)鋰電池進(jìn)行串聯(lián)，才能滿足相應(yīng)的電壓需求，電池在出廠時(shí)具有基本一致的內(nèi)阻和電壓，但是每個(gè)電池經(jīng)過一定的使用之后都會(huì)產(chǎn)生單體性能的差異性。這就需要通過一定的技術(shù)來解決動(dòng)力鋰電池的充電不均衡性問題，才能有效的提高鋰電池的工作性能。否則由于電池的單體差異性，在充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)一部分電池先充滿，還有一部分電池充不滿的情況，嚴(yán)重影響了動(dòng)力鋰電池組的使用壽命和工作性能。

本文主要使用的是能耗型部分分流法，充分的考慮到動(dòng)力鋰電池組充電的穩(wěn)定性需求以及工業(yè)成本控制問題，對(duì)動(dòng)力鋰電池的充電管理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 選擇合適的鋰電池組充電方案

2.1 單節(jié)動(dòng)力鋰電池充電的具體要求

恒流充電是對(duì)單節(jié)鋰電池充電的基本要求，也就是必須保障一定的電流。在充電的過程中電池的電壓會(huì)不斷升高，如果電池端的電壓到達(dá)了電池系統(tǒng)額定恒流充電的電壓上限（一般為3.8V-4.2V之間，不同的鋰電池材料體系的電壓上限會(huì)有所不同），那么就不再使用恒流充電，改使用恒壓充電的方式，也就是保障一定的電壓。以電芯的飽和程度為依據(jù)，逐漸的減小電流。如果電流減小到10mA，則停止充電，完成整個(gè)充電過程[1]。

2.2 動(dòng)力鋰電池組的充電特性

正是由于每一節(jié)單體電池相互都存在一定的單體差異，導(dǎo)致在整個(gè)動(dòng)力鋰電池組中連續(xù)的充放電循環(huán)會(huì)造成一定的差異，從而加速了一部分單節(jié)鋰電池的容量衰減速度。單體電池的最小容量直接決定了串聯(lián)電池組的容量，如果一部分單體鋰電池的容量衰減過快，就會(huì)造成整個(gè)電池組的使用壽命減少。

造成動(dòng)力鋰電池組充電不平衡性的主要原因有以下幾個(gè)方面：

第一，在制作電池的過程中出現(xiàn)的工藝問題，導(dǎo)致同一批次的電池在內(nèi)阻和容量方面的差異過大。第二，由于電池具有不同的自放電率，在使用了一段時(shí)間之后電池的容量就會(huì)出現(xiàn)較大的差異。第三，在使用電池的過程中，電路板、溫度等使用環(huán)境的差異也會(huì)造成電池容量的不平衡[2]。

2.3 選擇科學(xué)的充電方案

使用均衡電路進(jìn)行充電能夠盡量，減小鋰電池組受到電池容量不平衡性的影響。使用比較廣泛的鋰電池組均勻管理方案主要有兩種：回饋型管理方案和能耗型管理方案。所謂的回饋型管理方案指的是向電池組中的某些單體或者電池組中回饋單體之間的偏差能量，這主要是通過能量轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。能耗型管理方案指的是將并聯(lián)支路提供給各個(gè)單體電池，通過分流轉(zhuǎn)移電能的方式來控制電壓過高的單體電池，使其達(dá)到電能的均衡。鑒于回饋型管理方式在不考慮轉(zhuǎn)換效率，也就是設(shè)定回饋不消耗能量的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡，但是具有過高的制造成本，其設(shè)計(jì)控制的方法也非常復(fù)雜，因此本文選擇了能耗型管理方案。

按照能量回路的處理方式，可以將能耗型管理方案分為分流和斷流兩個(gè)類型。所謂的分流指的是在不斷開工作回路的基礎(chǔ)上，在每個(gè)電池上加上一個(gè)旁路電阻，如果與組內(nèi)的其他電池相比，該單組電池過高，旁路電阻就可以接收一部分或者全部的充電電流，這樣一來各個(gè)單體電池的充電就實(shí)現(xiàn)了均衡性。斷流指的是也對(duì)單體電壓變化的監(jiān)控為基礎(chǔ)，在達(dá)到一定條件時(shí)就斷開單體電池的充電回路，通過旁路電阻來接收充電電流。可以使用電力電子部件或者機(jī)械觸點(diǎn)來構(gòu)成開關(guān)矩陣，從而對(duì)電池組內(nèi)單體間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。鑒于動(dòng)力鋰電池都具有較大的功率，分流法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱管理效果，而且有效的提高充電的效率[3]。

3 動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路具體設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

在通過開關(guān)電源時(shí)，工頻交流電就會(huì)轉(zhuǎn)化為電池組額定電壓/電池組額定充電電流直流電，向升壓電路進(jìn)行輸出。以CPU控制信號(hào)為依據(jù)，升壓電路都會(huì)將充電電流提供給電池組。電池的實(shí)時(shí)電壓主要由電壓監(jiān)控電路向CPU進(jìn)行反饋，通過升壓電路可以實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)電池組的整體充電電流和電壓的控制，從而對(duì)各個(gè)單體電池的充電速率進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，使整個(gè)電池組能夠一致充電。

3.2 升壓電路設(shè)計(jì)

調(diào)壓電路和開關(guān)電源電路共同組成了電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。開關(guān)電源主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入的工頻交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為電池組額定電壓/電池組額定充電電流直流電，再將其輸出。升壓電路主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換開關(guān)電源輸出的直流電，使其成為電池組充電需要的電流和電壓。升壓電路還可以以充電狀態(tài)為根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓。

如果充電器的工作過程正常，那么開關(guān)電源的正極會(huì)接到DC+，開關(guān)電源的負(fù)極會(huì)接到DC-，并且關(guān)斷開關(guān)管Q5。電池監(jiān)控電路會(huì)對(duì)CPU進(jìn)行反饋，根據(jù)其反饋電壓能夠?qū)WM占空比計(jì)算出來，從而將相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)輸出。根據(jù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的放大調(diào)整，PWM調(diào)制信號(hào)能夠?qū)3開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行良好的控制，從而輸出合適的電壓。通過對(duì)PWM輸出的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能夠?qū)﹄姵氐某潆婋妷哼M(jìn)行有效的控制

3.3 電壓監(jiān)控環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

單個(gè)的鋰電池具有較小的電壓，為了滿足工作電壓的要求，可以使用串聯(lián)的方式來使用鋰電池，將其組成鋰電池組。在充電的過程中應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)控鋰電池組中每一個(gè)電池的電壓情況。只有這樣才能確保不會(huì)由于過充而對(duì)鋰電池造成損壞，使每個(gè)電池能夠保持正常的工作狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)一定的電路能夠比較各個(gè)電池的實(shí)時(shí)電壓，從而將其轉(zhuǎn)化到同一基準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換可以使用光耦隔離取樣的方式，與普通光耦相比，線性光耦的價(jià)格高出10倍出于成本控制考慮在電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集時(shí)可以使用普通光耦線性化連接。光耦的電流傳輸參數(shù)不會(huì)影響測(cè)量電路的電壓增益，電壓增益只會(huì)受到電阻阻值的影響，因此電壓信號(hào)的線性隔離需求能夠得到滿足。通過對(duì)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使電池電壓成為具有統(tǒng)一參考的輸出電壓[4]。

3.4 分流控制電路設(shè)計(jì)

如果在充電時(shí)一部分單體電池的電壓與組內(nèi)其他電池相比就過大的差異，CPU就會(huì)拉高控制端口，從而實(shí)現(xiàn)電能從旁路電阻的分流，使電壓過高的單體電池的充電速率降低。這樣一來整個(gè)電池組中的各個(gè)單體電池能夠具備同步的充電速率。

4 結(jié)語

在對(duì)鋰電池組進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡性，造成這種不平衡性的原因有很多，其會(huì)導(dǎo)致鋰電池的使用壽命縮短，出現(xiàn)過充現(xiàn)象，對(duì)鋰電池造成損壞。通過對(duì)動(dòng)力鋰電池的充電管理電路設(shè)計(jì)，能夠避免發(fā)生過沖現(xiàn)象，對(duì)電池組充電不平衡的問題進(jìn)行解決，使鋰電池組的使用壽命得到延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉小平,郭鋒,劉寧一.一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池組充放電管理的主動(dòng)均衡方案[J].電動(dòng)自行車,2010(10).

[2]黃勤,嚴(yán)賀彪,凌睿.串聯(lián)鋰電池組無損均衡管理方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2011(12).

[3]王天福,劉強(qiáng),李志強(qiáng).動(dòng)力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù),2011(09).

[4]陳道,吳赟,蔣新華.鋰電池組維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù),2012(7).