基于鋰電池組均衡充電管理電源電路設計

隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關注的焦點。電能作為動力能源已經(jīng)在各種車輛上得到廣泛應用。鋰電池以具有較高的能量質(zhì)量比和能量體積比，無記憶效應，可重復充電次數(shù)多，使用壽命較長等優(yōu)點成為動力電能的首選。

作為一種新型動力技術，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需求，單體性能的參差不齊并不全緣于電池生產(chǎn)技術問題，即使每只電池出廠時電壓，內(nèi)阻完全一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，這使得解決動力電池充電技術問題成為迫切需要解決的技術問題。本設計在充分考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎上，采用能耗型部分分流法對動力鋰電池充電進行均衡管理，改善了電池組充電的不平衡性，提高了工作性能。

鋰電池組充電方案選擇

1、單節(jié)鋰電池充電要求

對單節(jié)鋰離子電池的充電要求( GB/ T18287 -2000) 首先是恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4. 2 V (4. 1V) ，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當減小到10 mA 時，認為充電終止，充電曲線如圖1 所示。

圖1 鋰電池充電曲線

2、鋰電池組充電特性

在動力電池組中由于各單體電池之間存在不一致性。連續(xù)的充放電循環(huán)導致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯(lián)電池組的容量是由單體電池的最小容量決定的，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。造成這種不平衡的主要原因有：

●電池制作過程中，由于工藝等原因，同批次電池的容量、內(nèi)阻等存在差異;

●電池自放電率的不同，經(jīng)長時間積累，造成電池容量的差異;

●電池使用過程中，使用環(huán)境如溫度、電路板的差異，導致電池容量的不平衡。

3、充電方案選擇

為了減小不平衡性對鋰電池組的影響，在充電過程中，要使用均衡電路。

目前對于鋰電池組進行均衡管理的方案主要有2種，能耗型和回饋型。能耗型是指給各個單體電池提供并聯(lián)支路，將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達到均衡目的?；仞佇褪侵竿ㄟ^能量轉(zhuǎn)換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或電池組中的某些單體。

理論上，當忽略轉(zhuǎn)換效率時，回饋不消耗能量，可實現(xiàn)動態(tài)均衡。但由于回饋型設計控制方法復雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設計。

能耗型按能量回路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎上，滿足一定條件時把單體電池的充電回路斷開，充電電流完全通過旁路電阻。通過機械觸點或電力電子部件組成的開關矩陣，動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結構。而分流并不斷開工作回路，而是給每只電池增加一個旁路電阻，當某單體電池高于組內(nèi)其他電池時，將充電電流的全部或一部分導入旁路電阻。從而實現(xiàn)對各個單體電池的均衡充電。 由于動力鋰電池組功率較大，在綜合考慮充電效率，熱管理等方面因素之后，我們使用部分分流法為充電器的設計方案。

系統(tǒng)設計及分析

1、系統(tǒng)整體結構

如圖2 系統(tǒng)框圖所示，工頻交流電通過開關電源轉(zhuǎn)化為18 V/ 5 A 的直流電輸出給升壓電路，升壓電路根據(jù)CPU 的控制信號為電池組充電提供一定的充電電流，電壓監(jiān)控電路將電池的實時電壓情況反饋給CPU ，CPU 通過升壓電路實現(xiàn)對電池組整體充電電壓、電流的控制。通過均衡電路實現(xiàn)各個單體電池充電速率調(diào)整，以保證整個電池組充電的一致性。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2、升壓電路

電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)由開關電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/ 5 A 直流電輸出。由于當前開關電源技術已經(jīng)相當成熟，在此就不再贅述。

升壓電路的作用是將開關電源輸出的直流電調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為電池組充電所要求的電壓、電流，并能夠根據(jù)充電狀態(tài)對輸出電壓、電流進行實時調(diào)節(jié)。

升壓電路如圖3 所示。

圖3 升壓電路

其中R1 、R2 、Q1 構成電源反接保護電路，Q5 是整個升壓電路的開關，Q2 、Q4 、U1 構成場效應管Q3 驅(qū)動級電路，Q3 、L1 、D1 、C4 、C5 構成BOOST 升壓調(diào)節(jié)電路，R9 、R10 、C6 為電壓采樣電路。

在充電器正常工作時，開關電源的正負極輸出分別接到DC+ ，DC- ，開關管Q5 關斷。CPU 根據(jù)電池監(jiān)控電路反饋的電壓計算出的PWM 占空比，輸出相應的調(diào)制信號。PWM 調(diào)制信號經(jīng)過驅(qū)動級放大調(diào)整，控制Q3 開關狀態(tài)，以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。