孫曉磊，張全柱，鄧永紅，馬紅梅

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

不同于以往的鋰離子電池，鋰離子動(dòng)力電池是指總?cè)萘吭?Ah以上的鋰離子電池組，為了能夠提供較大的容量和電壓，通常在實(shí)際使用中，將多塊鋰離子電池單體并連和串聯(lián)起來(lái)，以滿(mǎn)足設(shè)備對(duì)電池容量和電壓的要求。目前，動(dòng)力鋰離子電池在移動(dòng)式救生艙，避難硐室，礦用電機(jī)車(chē)和除塵車(chē)等場(chǎng)所和裝備中的應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究階段。但由于鋰離子動(dòng)力電池在使用過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)性，嚴(yán)重制約了其在國(guó)內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。在國(guó)家“863”電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)和市場(chǎng)的推動(dòng)下，鋰離子電池動(dòng)力化在綠色電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電源中的研究已初露鋒芒，但由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和安全的充電和BMS技術(shù)，其在煤礦電機(jī)車(chē)等礦用設(shè)備動(dòng)力電源中的應(yīng)用還幾乎是空白。目前煤礦生產(chǎn)中最常用的動(dòng)力源主要鉛酸蓄電池組，而鉛酸蓄電池具有容量小，壽命短，不利于環(huán)保等明顯的缺點(diǎn)，若其能被鋰離子動(dòng)力電池所取代，這將會(huì)大大節(jié)約生產(chǎn)成本，改善煤礦的生產(chǎn)環(huán)境。鋰離子動(dòng)力電池在使用過(guò)程中要進(jìn)行不斷的循環(huán)充電，那么研究一款適用安全的充電方案，對(duì)動(dòng)力鋰離子電池在煤礦安全生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用具有極其重要的意義。筆者在結(jié)合動(dòng)力鋰離子電池安全性特點(diǎn)和前人的基礎(chǔ)上，提出了一款安全可靠的鋰離子動(dòng)力電池智能充電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

1 動(dòng)力鋰離子電池充電過(guò)程中的安全注意事項(xiàng)

鋰離子電池在充放電過(guò)程對(duì)于電壓、電流和溫度有著苛刻的要求，在充電過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。其中應(yīng)注意的主要事項(xiàng)有:

1)對(duì)鋰離子電池過(guò)充超過(guò)其允許值，會(huì)損壞正負(fù)極板，使電池出現(xiàn)膨脹等現(xiàn)象，如電池有裂紋，會(huì)出現(xiàn)漏液甚至爆炸的危險(xiǎn)。

2)要給鋰離子電池進(jìn)行快速充電，就需要用大電流，但過(guò)大的充電電流會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱過(guò)快，熱量無(wú)法及時(shí)排除，降低鋰離子電池壽命或損壞電池甚至發(fā)生爆炸。

3)充電電壓和充電電流要控制在合適的點(diǎn)，充電速度過(guò)快或充電電壓控制點(diǎn)不當(dāng)都會(huì)造成電池的部分電極活性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)而使電池容量不足，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加這種容量不足的現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，影響鋰離子電池的性能。

4)動(dòng)力鋰離子電池一般由多組電池串并聯(lián)在一起以提高電池的供電電壓和電池容量，但是由于每塊單體鋰離子電池的個(gè)體差異性，會(huì)使這些電池組在充電過(guò)程中表現(xiàn)出電壓離散型特點(diǎn)，造成單體間的電壓不均，在控制電池組電壓不過(guò)壓的同時(shí)，要同時(shí)保證每塊單體電池電壓不過(guò)壓。

5)在充電過(guò)程中一定要嚴(yán)防電池短路和溫度過(guò)高的情況發(fā)生。

2 鋰離子電池充電過(guò)程分析

鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段:恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段中，電池電壓不斷升高，當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，立即轉(zhuǎn)入恒壓階段，電流則隨著電池電量的上升以一定的規(guī)律逐步減弱到設(shè)定的值而最終完成充電。對(duì)于第一次充電的電池，時(shí)間應(yīng)盡可能長(zhǎng)(一般在3～4個(gè)小時(shí))，使電極氧化盡可能完全，這種初充電模式要每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次，以達(dá)到電池最大容量的釋放(只需控制好恒流時(shí)間即可完成初充電)。

本實(shí)驗(yàn)選取8串SE60AHA型電池組配置方案(單體標(biāo)稱(chēng)電壓3.2V)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先以恒流模式(≤1CA)進(jìn)行快速充電，使電池達(dá)到標(biāo)稱(chēng)電壓后以恒壓24V(上下浮動(dòng)在50mV以?xún)?nèi))進(jìn)行緩充電，電池充足電時(shí)，停止充電，或根據(jù)具體情況需要進(jìn)入涓流充電模式。這種先恒流再恒壓，大約需要兩個(gè)小時(shí)可以將電池充滿(mǎn)。

3 充電機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能特點(diǎn)

如圖2所示，該智能充電機(jī)主要由四部分組成:AC/DC主電路部分，DSP控制部分、輸出采樣部分和鋰離子電池組管理部分。其主要功能實(shí)現(xiàn):輸入礦用電壓 AC 380V/50Hz或 AC660V/50Hz三相電壓，在DSP的閉環(huán)控制和保護(hù)作用下經(jīng)過(guò)兩次AC/DC變換和濾波得到給定的充電電壓和電流，在BMS芯片MAX11068的管理下給鋰離子電池組塊進(jìn)行均衡性安全充電。其中本方案的研究重點(diǎn)集中在:IGBT逆變控制技術(shù)，輸出恒流恒壓雙閉環(huán)控制技術(shù)和BMS技術(shù)。

3.1 IGBT逆變控制關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)波形輸出

充電機(jī)輸出端恒流或恒壓閉環(huán)控制操作的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)對(duì)IGBT PWM脈沖信號(hào)的控制來(lái)完成，該P(yáng)WM信號(hào)由芯片UCC3895產(chǎn)生。在理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)該芯片的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。

如圖3所示，UCC3895采用平均電流控制模式。平均電流模式由于具有噪聲抑制能力強(qiáng)，無(wú)斜坡補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在PWM控制電路中。誤差放大器同相端輸入信號(hào)控制電壓信號(hào)V+，反向端輸入信號(hào)為末端采集的電感電流信號(hào)V－。誤差放大器輸出平均電流跟蹤誤差信號(hào)UEOUT，該信號(hào)與RAMP端鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，得到PWM關(guān)斷時(shí)刻，作為IGBT的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CS端為過(guò)流保護(hù)端，其關(guān)斷電壓為2.5V(其保護(hù)電流上限可以硬件設(shè)定)，輸入信號(hào)為檢測(cè)到的電感電流信號(hào)ic。當(dāng)發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)，可以立即關(guān)閉PWM輸出，在對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行充電時(shí)，可以很好地保護(hù)電池和充電機(jī)免受過(guò)流損壞。SS端通過(guò)電容接地可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。實(shí)驗(yàn)輸出波形如圖4所示。

圖2 動(dòng)力鋰離子電池智能充電器主電路拓?fù)鋱D

圖3 UCC3895驅(qū)動(dòng)IGBT拓?fù)鋱D

UC3895參數(shù)設(shè)定:

fout為四路輸出頻率，fin為芯片內(nèi)部時(shí)鐘頻率。要想得到20kHz的輸出頻率，那么fin=40kHz。由芯片內(nèi)部時(shí)鐘周期

可以計(jì)算出R5=30kΩ，C5=100pF。

DELAB和DELCD兩端電壓滿(mǎn)足:

其中VCS－VADS大小范圍為0v～2.5v.VDEL大小范圍為0.5v～2.375v.輸出端電流大小需滿(mǎn)足

2)延時(shí)時(shí)間設(shè)定:

選取 RCS=RADS=109kΩ，RCS=200kΩ，RADS=100kΩ ，此時(shí)滿(mǎn)足IDEL=0.016mA＜1mA.死區(qū)時(shí)間tDELAY范圍為:1.15us～5.45us.

圖4 OUTA和OUTB輸出波形，tDELAY=4us

3.2 電流電壓雙閉環(huán)控制

充電機(jī)輸出控制環(huán)節(jié)采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制模式，其輸出曲線(xiàn)可以很好地?cái)M合鋰離子電池的充電曲線(xiàn)(誤差最大為±50mV)對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命，提高電池工作效率起到很大作用。其中電流內(nèi)環(huán)由軟件設(shè)定，電壓外環(huán)由UCC3895外圍電路完成，如圖3所示硬件PI調(diào)制環(huán)節(jié)。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

充電初期以恒流模式輸出，K1關(guān)斷，K2閉合到b端，UCC3895內(nèi)部誤差比較器連接成跟隨器，進(jìn)入電流閉環(huán)控制模式，電流閉環(huán)PI控制環(huán)節(jié)中Kp、KI由軟件設(shè)定，其輸入與輸出關(guān)系:

在恒流模式下，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池電壓會(huì)不斷上升，那么在電流閉環(huán)的控制作用下，為保持恒流，充電器輸出電壓也會(huì)不斷上升，并始終保持一定壓差。當(dāng)充電器輸出電壓升到參考值U1時(shí)立即轉(zhuǎn)入電壓閉環(huán)控制以恒壓模式輸出，這是K1開(kāi)通，K2閉合到a端。此時(shí)輸入輸出關(guān)系:

在恒壓模式下，隨著壓差不斷減小，輸出電流也以一定規(guī)律不斷減小，當(dāng)電流減小到0時(shí)，電池充滿(mǎn)電，停止充電或以涓流模式繼續(xù)充電。

3.4 鋰離子動(dòng)力電池組BMS

由于目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制的大多數(shù)鋰離子電池組BMS控制策略復(fù)雜，體積大，成本高，不適宜在煤礦生產(chǎn)中大量推廣，筆者設(shè)計(jì)的充電機(jī)方案中采用了一款新型的鋰離子動(dòng)力電池組管理芯片MAX11068，可在鋰離子動(dòng)力電池組充電和工作時(shí)很好完成溫度檢測(cè)和過(guò)壓欠壓報(bào)警，主動(dòng)式電壓均衡等操作。MAX11068是一款高度集成，耐高壓，低功耗，高精度并可同時(shí)對(duì)12組串聯(lián)鋰離子電池單體進(jìn)行主動(dòng)式均衡、檢測(cè)和報(bào)警操作的電池管理芯片。高度集成的電池檢測(cè)器結(jié)合了簡(jiǎn)捷的狀態(tài)機(jī)和高速I(mǎi)2C總線(xiàn)，支持SMBus串行鏈路通信，在工作時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)該芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，設(shè)置報(bào)警電壓，溫度等參數(shù)，并可以將采集到的電池信息或報(bào)警信息實(shí)時(shí)地傳送給單片機(jī)。該芯片的使用可以大大減小在對(duì)礦用鋰離子動(dòng)力電池充電池時(shí)的電池管理成本，而且在工作時(shí)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)每組電池單體，對(duì)發(fā)生欠壓，過(guò)壓，過(guò)溫等異?，F(xiàn)象的單體電池，進(jìn)行準(zhǔn)確迅速的主動(dòng)式均衡或報(bào)警，同時(shí)和單片機(jī)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)對(duì)電池壽命，安全性等進(jìn)行分析和評(píng)估。

圖6 MAX11068管理拓?fù)鋱D

4 結(jié)束語(yǔ)

這里設(shè)計(jì)的礦用鋰離子動(dòng)力電池充電機(jī)的主要設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，能夠利用 AC380V 50Hz/AC660V 50Hz電壓給動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行安全性快速充電。電壓變換部分采用通流能力大，開(kāi)關(guān)速度快，穩(wěn)定性好的IGBT絕緣雙柵極晶體管對(duì)電壓進(jìn)行逆變變換，其PWM控制脈沖信號(hào)由UCC3895產(chǎn)生，該芯片具有良好的過(guò)流保護(hù)和軟啟動(dòng)功能，在充電的過(guò)程能很好的保護(hù)電路，并通過(guò)電流電壓雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓功能。鋰離子動(dòng)力電池的管理部分采用MAXIM公司最新的動(dòng)力鋰離子電池管理芯片MAX11068，大大的節(jié)約了成本，提高了鋰離子動(dòng)力電池使用時(shí)的安全性。實(shí)驗(yàn)表明該充電機(jī)可以很好實(shí)現(xiàn)給礦用動(dòng)力鋰離子電池的安全高效充電，對(duì)于鋰離子電池動(dòng)力電池在煤礦生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用具有重要意義。筆者針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池充電所存在的問(wèn)題和要求著重對(duì)該型智能充電機(jī)在電流、電壓控制和電池管理系統(tǒng)方面進(jìn)行研究，提出一種合理、安全的礦用動(dòng)力鋰離子電池充電方案。

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