一種基于電荷正反傳輸原理的鋰電池充電均衡方案

文/王曉燕

隨著綠色環保能源普及速度加快，鋰電池作為移動設備的主要供電電源，越來越被人們所關注。由于其單節容量小的特點，在大功率場合中，只能將多節可充電電池串聯組成電池組來提高電池組的容量和功率。但由于制作工藝的偏差，單體電池容量不會完全一致，即使在充電時電池組流過相同電流，容量小的單體電池會最先充滿，而容量大的單體電池卻未能充滿，如繼續充電，小容量的單體電池會因為過充而造成電池損壞，而如果停止充電，容量大的單體電池會因為未充滿而造成電池組的容量變低，電池組的使用效率低下；同理，電池組放電時，小容量單體電池最先放完，而大容量單體電池卻未能放完，此時如繼續放電，小容量電池會因為過放而造成電池損壞，如停止放電，大容量電池會因為未放完而造成電池組使用效率變低。

研究電池均衡管理的目的，是防止電池組因過充或過放造成的電池組損壞，以提高電池組的壽命。目前國內外針對鋰電池均衡研究已經形成了很多成果，很多公司和研究機構都致力于將均衡充電系統推向市場；然而大部分均衡充電系統中所用器件過多，均衡充電電路體積過大，控制策略復雜，均衡效果不理想等因素的存在都制約著均衡充電技術的發展。

1 均衡方案原理

電池均衡電路主要的功能是可以防止電池的過充電與過放電，本方案的主要電路拓撲是基于電容能量轉移法的原理。下面講解充電方案原理。

圖1：電池均衡原理圖

圖2：正向能量傳輸電路結構圖

圖3：反向能量傳輸電路結構圖

如圖1所示，正常情況下K0導通，當電路充電時，電流由電池組正極（BAT+）經n-1節電池流過K0流經電阻R1到達電池組負極（BAT-）。模數轉換芯片B如檢測到正電壓值，電路將判定為此時為電池組充電狀態。K1～Kn開關分別與每個電池的正負極相連，控制電路將控制相鄰開關輪流開通，電路只接通一只電池到總線上，總線上的電壓方向隨著開關的組合不同而不同，所以需要換相。此時KX與KY開路，其余開關KA～KD通斷情況跟隨接入總線電池的改變而改變，以3#電池為例。當3#接入總線時，電流由3#正極出發，經過開關K3、Ka及電感到達電容正極，電容負極經KD和K4回到BT2負極，電容C1由3#電池為其充電。經過一定時間，C1電壓與3#電池電壓相等，此時斷開與電池連接的開關K3、Ka、Kd及K4。接通Ky，此時可以通過模數轉換芯片A進行C1上的電壓檢測，所測電壓即為剛才所接通3#電池的電壓，這樣分別通過不同的開關組合，從而對電池組中的每節電池電壓進行輪流測量。當電池的充電電壓達到4V以上時，均衡電路開始工作，將所測電壓最高的電池能量轉移到電壓最低的電池上，此時的K1～Kn開關將只在能量傳遞的兩節電池上輪流開通，當電容接高電壓電池時，C1上初始電壓很低，而電池電壓較高，直接連通會有比較大的損耗，所以電路組成一個正向能量傳輸電路（如圖2所示）。電路由KA或KC與KX一起組成，KA或KC為主開關管，KX為續流管，直到C1上的電壓與電池電壓相等時，充電完成，此時，需要將電容內的能量傳遞給電池電壓低的電池，電路組成一個反向能量傳輸電路（如圖3所示），K1～Kn開關連通電壓低的電池，電路由KA或KC與KX一起組成，KX為主開關管，KA或KC為續流管，將C1內的電壓進行升壓傳遞給低電壓電池，當C1內的電壓過低時（<2V），又將電容接到電壓高的電池上進行充電，直到所有的電池電壓基本一致，當最高電壓電池電壓達到4.25V時，電池組不能再充電了，K0斷開，充電均衡完成，均衡電路進入等待模式，電路必須要很小的耗電。

2 正反向能量傳輸電路工作原理

2.1 正向能量傳輸電路工作過程

正向能量傳輸電路為降壓型電路，由電感、電容和二極管等元器件構成。它是通過控制開關的導通關斷，將輸入電壓變成穩定的輸出電壓的一種電路結構，如圖2所示。其中ui為輸入電壓，K3、K4、KA和KB為開關管，L1是電感，C1是輸出濾波電容，uo是輸出電壓。

當開關K3、K4、KA和KB導通時，KX斷開，電流經過電感L1和電容C1構成回路。電感L1充磁，電容C1充電。當開關K3、K4、KA和KB斷開時，KX接通，儲能電感L1通過KX放電，電感電流減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的L1電流來維持。

圖4：正向能量傳輸電路仿真圖

圖5：反向能量傳輸電路仿真圖

2.2 反向能量傳輸電路工作過程

反向能量傳輸電路為升壓電路，由電感、電容和二極管等元器件構成，它可以使得輸出電壓高于輸入電壓。

當開關K3、K4、KA和KB斷開時，KX接通，電感處于充電狀態，隨著電感電流的增加，電感儲存了一些能量；當開關KX斷開時，K3、K4、KA和KB接通，電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，最終高于輸入電壓。

3 均衡電路仿真結果

以電量由高電荷的3號電池向低電荷的2號電池轉移過程為例，進行均衡電路的仿真。假設測得3號電池電量為4.2V，2號電池電量為3.8V 。為了便于仿真，電池用1000uF的電容代替，電容C1取值100uF。

首先進行正向能量傳輸，3號電池將部分電荷轉移到C1電容上，仿真圖如圖4。

中綠色為C1電容兩端的電壓，紅色為3號電池的電壓，藍色為電感L1的電流。從圖中可以看出，經過三次開關后C1的電壓由2V上升到2.3837V，而3號電池的電壓由4.2V降低為4.1716V。

接下來進行反向能量傳輸，電荷由C1向2號電池的轉移，仿真圖如圖5。

其中綠色為2號電池的電壓，紅色為電容兩端的電壓，藍色為電感L1的電流。從圖中可以看出，經過三次開關后C1的電壓由2.3V降低為2.0254V，而2號電池的電壓由3.8V上升到 3.8131V。

通過以上仿真可知，當電池電量不均衡時，采用均衡電路通過正向反向能量傳輸工作，可以很好地實現電量從高電荷電池到低電荷電池的傳送，從而實現整個電路的電量均衡。