東莞新能源科技有限公司 李新宏

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動力鋰電池組充電管理電路設計

東莞新能源科技有限公司 李新宏

【摘要】在動力鋰電池組的運用過程中有一個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，并對均衡充電理論進行了簡要的分析和比較，從而對動力鋰電池組充電管理電路進行了具體設計，實踐證明該設計方案能夠取得良好的效果，有效的延長動力鋰電池組的使用壽命，提高其工作性能，對其充電的一致性進行了有效的改善。

【關鍵詞】動力鋰電池組；充電管理；電路設計

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

1 動力鋰電池組充電管理電路設計的必要性

設計動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，從而對動力鋰電池組的充電進行均衡管理。在現(xiàn)有的新型動力技術的基礎上，必須對鋰電池進行串聯(lián)，才能滿足相應的電壓需求，電池在出廠時具有基本一致的內(nèi)阻和電壓，但是每個電池經(jīng)過一定的使用之后都會產(chǎn)生單體性能的差異性。這就需要通過一定的技術來解決動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，在充電時會出現(xiàn)一部分電池先充滿，還有一部分電池充不滿的情況，嚴重影響了動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，對動力鋰電池的充電管理電路進行了設計。

2 選擇合適的鋰電池組充電方案

2.1 單節(jié)動力鋰電池充電的具體要求

恒流充電是對單節(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不斷升高，如果電池端的電壓到達了電池系統(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，完成整個充電過程[1]。

2.2 動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，導致在整個動力鋰電池組中連續(xù)的充放電循環(huán)會造成一定的差異，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，就會造成整個電池組的使用壽命減少。

造成動力鋰電池組充電不平衡性的主要原因有以下幾個方面：

第一，在制作電池的過程中出現(xiàn)的工藝問題，導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，在使用了一段時間之后電池的容量就會出現(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)境的差異也會造成電池容量的不平衡[2]。

2.3 選擇科學的充電方案

使用均衡電路進行充電能夠盡量，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換器來實現(xiàn)的。能耗型管理方案指的是將并聯(lián)支路提供給各個單體電池，通過分流轉移電能的方式來控制電壓過高的單體電池，使其達到電能的均衡。鑒于回饋型管理方式在不考慮轉換效率，也就是設定回饋不消耗能量的基礎上能夠實現(xiàn)動態(tài)均衡，但是具有過高的制造成本，其設計控制的方法也非常復雜，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類型。所謂的分流指的是在不斷開工作回路的基礎上，在每個電池上加上一個旁路電阻，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，這樣一來各個單體電池的充電就實現(xiàn)了均衡性。斷流指的是也對單體電壓變化的監(jiān)控為基礎，在達到一定條件時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?？梢允褂秒娏﹄娮硬考蛘邫C械觸點來構成開關矩陣，從而對電池組內(nèi)單體間的連接結構進行動態(tài)改變。鑒于動力鋰電池都具有較大的功率，分流法能夠實現(xiàn)更好的熱管理效果，而且有效的提高充電的效率[3]。

3 動力鋰電池組的充電管理電路具體設計

3.1 設計系統(tǒng)的整體結構

在通過開關電源時，工頻交流電就會轉化為電池組額定電壓/電池組額定充電電流直流電，向升壓電路進行輸出。以CPU控制信號為依據(jù)，升壓電路都會將充電電流提供給電池組。電池的實時電壓主要由電壓監(jiān)控電路向CPU進行反饋，通過升壓電路可以實現(xiàn)CPU對電池組的整體充電電流和電壓的控制，從而對各個單體電池的充電速率進行科學的調(diào)整，使整個電池組能夠一致充電。

3.2 升壓電路設計

調(diào)壓電路和開關電源電路共同組成了電能的輸入轉化環(huán)節(jié)。開關電源主要負責對輸入的工頻交流電進行轉化，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。升壓電路主要負責轉換開關電源輸出的直流電，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)實時調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓。

如果充電器的工作過程正常，那么開關電源的正極會接到DC+，開關電源的負極會接到DC-，并且關斷開關管Q5。電池監(jiān)控電路會對CPU進行反饋，根據(jù)其反饋電壓能夠將PWM占空比計算出來，從而將相應的調(diào)制信號輸出。根據(jù)驅動級的放大調(diào)整，PWM調(diào)制信號能夠對Q3開關狀態(tài)進行良好的控制，從而輸出合適的電壓。通過對PWM輸出的占空比進行調(diào)節(jié)，就能夠對電池的充電電壓進行有效的控制

3.3 電壓監(jiān)控環(huán)節(jié)設計

單個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。在充電的過程中應該實時監(jiān)控鋰電池組中每一個電池的電壓情況。只有這樣才能確保不會由于過充而對鋰電池造成損壞，使每個電池能夠保持正常的工作狀態(tài)。通過設計一定的電路能夠比較各個電池的實時電壓，從而將其轉化到同一基準。為了實現(xiàn)電平轉換可以使用光耦隔離取樣的方式，與普通光耦相比，線性光耦的價格高出10倍出于成本控制考慮在電壓的實時監(jiān)控和采集時可以使用普通光耦線性化連接。光耦的電流傳輸參數(shù)不會影響測量電路的電壓增益，電壓增益只會受到電阻阻值的影響，因此電壓信號的線性隔離需求能夠得到滿足。通過對電路進行轉化，使電池電壓成為具有統(tǒng)一參考的輸出電壓[4]。

3.4 分流控制電路設計

如果在充電時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就會拉高控制端口，從而實現(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。這樣一來整個電池組中的各個單體電池能夠具備同步的充電速率。

4 結語

在對鋰電池組進行串聯(lián)充電時會產(chǎn)生一定的不平衡性，造成這種不平衡性的原因有很多，其會導致鋰電池的使用壽命縮短，出現(xiàn)過充現(xiàn)象，對鋰電池造成損壞。通過對動力鋰電池的充電管理電路設計，能夠避免發(fā)生過沖現(xiàn)象，對電池組充電不平衡的問題進行解決，使鋰電池組的使用壽命得到延長。

參考文獻

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

[2]黃勤,嚴賀彪,凌睿.串聯(lián)鋰電池組無損均衡管理方案設計與實現(xiàn)[J].計算機工程,2011(12).

[3]王天福,劉強,李志強.動力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電源技術,2011(09).

[4]陳道,吳赟,蔣新華.鋰電池組維護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術,2012(7).