淺析動力鋰電池組的充電管理電路設計問題

天津力神電池股份有限公司 王 曦

?

淺析動力鋰電池組的充電管理電路設計問題

天津力神電池股份有限公司 王 曦

【摘要】隨著我國經濟的發展，對環保的要求越來越高，發展清潔無污染的電動交通工具變得迫切而必要，電動車類的出現解決了車輛的尾氣污染問題，電池管理系統是電動車的重要技術之一，鋰離子電池由于自身獨特的優勢能為重要的動力電池。本文主要探討動力鋰電池組的充電管理電路設計問題。

【關鍵詞】動力鋰電池組；充電管理；電路設計

現代科學技術不斷進步，人們的生活水平不斷提高，環保觀念深入人心，新型能源越來越受到人們的關注并且成為各國研究的焦點。電能無疑是應用最廣泛的動力能源，鋰電池是動力電能的首選，鋰電池的優勢很多，包括壽命長、沒有記憶效應、較高的能量體積比和質量比等。鋰電池組充電中具有不平衡性，動力電池的充電技術是目前需要解決的問題。

一、鋰電池概述

過去我們熟知的傳統電池主要由電解液和正負極組成，常見的主要是蓄電池和一次性電池。蓄電池有鎳氫電池、鉛酸電池等，一次性電池又稱原電池，有堿錳電池、錳干電池等。鋰電池有鋰離子蓄電池和鋰原電池，一般手機等使用的多是鋰離子蓄電池。鋰電池在正負極之間移過來移過去，又稱搖椅電池，鋰離子在充電時從氧化物正極遷移，利用有機電解液傳導進入負極，放電的時候從負極遷移向正極遷移，就像搖動的椅子。在正常充電的情況下，一般不會引起晶體的破壞，鋰電池正極和負極的材料不會發生質變。單體鋰離子電池的工作電壓比較高，一般高達3.6V到3.8V之間。鋰離子電池的容量大，使用壽命比較長，循環次數至少500次。在所有的金屬中，作為電池的材料，鋰的重量是最輕的，同時能夠提供高電壓以及高能量密度。鋰離子電池具有很好的環保效用，沒有對環境有重大污染的，類似鉛和汞的材料，而且沒有記憶效應［1］。

二、動力鋰電池組充電方案選擇

單節動力鋰電池充電需要電流一定，保持恒流充電。電壓在充電過程中會不斷升高，當達到額定電流的上限，一般是3.8V到4.2V之間的電壓上限，充電時便改用恒壓充電，不再使用恒流充電。在充電過程中，隨著電芯的逐漸飽和，電流會慢慢減小，減小到一定程度的時候充電就會終止，意味著充電過程的完成。

動力鋰電池組的充放電循環過程中，由于單體電芯的差異，整個動力鋰電池組會有一定的差異，其中一部分的單節鋰電池容量會加速衰減。在串聯電池組里，單體電芯的最小容量決定整個電池組的容量。部分單體電芯的容量衰減，會影響整個電池組的使用壽命。出現這種鋰電池組充電不平衡的主要原因是單節電芯的自放電率不同，電池制作中的技術問題以及使用時周圍環境的差異。

一般在每個電池出廠的時候，電阻和電壓是基本一致的，但是使用一段時間后，每個電池都會產生單體性能的差異，所以需要采用一定的技術手段來解決這個問題，否則由于單體電芯性能一致性的差異，可能導致某串電芯先充滿電而另一串沒充滿的現象。只有解決動力鋰電池組充電不均衡的問題，才能改善鋰電池的工作性能，提高鋰電池的使用壽命［2］。因此在選擇充電方案時，常使用均衡電路。現今對鋰電池的均衡管理主要是回饋型管理和能耗型管理。回饋型管理主要利用能量轉換器，向電池組中的個別單體電芯回饋偏差能量。從理論上講，如果把轉換效率忽略掉，在回饋過程中能量并沒有消耗，就可以實現動態均衡。但是這種方式設計復雜，成本較高。能耗型管理主要是利用分流轉移電能來實現均衡，提供并聯支路給每串單體電芯，對電壓過高的電芯進行分流，實用性比較強。

三、充電管理電路設計

1.整體結構

通過開關電源的時候，工頻交流電會發生轉化，轉化成低壓直流電（eg.18V/5A），向升壓電路輸出。根據CPU的控制信號，依據一定的條件，升壓電路會為電池組提供充電電流。CPU會接收到電壓監控系統的反饋，主要是各電池的實時電壓具體情況［3］。CPU對整個電池組電壓電流的控制主要通過升壓電路實現，根據實時反饋，調整每個電池的充電速率，達到電池組充電的一致性和均衡性。

2.升壓電路的具體設計

開關電源電路和調壓電路關系著電能的輸入轉化，開關電源進行直流電轉化和輸出，升壓電路調節直流電，使其轉化為鋰電池組需要的電壓和電流，并且按照充電的狀況能夠進行實時調節。如圖1所示：

圖1　

Q5是升壓電路的整體開關，充電器如果工作正常，開關電源的正極輸出接到DC+，負極輸出接到DC-。充電過程中，電池監控電路會及時反饋電壓給CPU，CPU按照反饋的電壓對PWM的占空比進行計算，根據計算的結果輸出對應的調制信號。PWM調制信號控制Q3開關的情況，輸出需要的電壓。

3.分流控制電路

設計分流控制電路如圖2所示：當對鋰電池組充電時，如果其中一個單體電芯的電壓比電池組里其他串電芯的電壓高時，電路控制核心CPU就會進行動作，使部分電能通過旁路電阻分流，從而降低電壓過高的單體電芯充電速率，使鋰電池組各串單體電芯充電速率一致。充電器的性能會受到均衡電流的影響，主要是均衡電流的大小選擇。如果電流大，充電器的穩定性較差。

圖2　設計分流控制電路圖

總而言之，單體鋰電池在串聯充電中具有不平衡性，與它的工作環境以及制作技術相關，這種不平衡性容易使鋰電池受到損害，縮短了它的使用壽命。在鋰電池組的充電管理電路設計中，采用分流法進行設計，選擇能耗型進行管理，能夠很好地解決不平衡問題，提高鋰電池使用的安全性，延長使用壽命。

參考文獻

［1］趙慶川，李軍，孫世嶺.鋰離子動力電池組保護與均衡電路設計［J］.煤礦安全，2013，44（11）：125-127.

［2］冷炎.動力電池組均衡充電管理系統研究［J］.電信技術，2015（12）：9-12.

［3］王坤.動力鋰電池SOC估算及電池組管理系統的設計［D］.大連理工大學，2014.