鉅大LARGE | 點擊量：549次 | 2022年09月01日
基于鋰電池包均衡充電管理電源電路設(shè)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(guān)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使用。鋰離子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)勢成為動力電能的首選。
作為一種新型動力技術(shù)，鋰離子電池在使用中非得串聯(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加工技術(shù)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，也會出現(xiàn)差異，這使得處理動力鋰離子電池充電技術(shù)問題成為急切要處理的技術(shù)問題。本設(shè)計在充足考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，采用能耗型部分分流法對動力鋰離子電池充電進行均衡管理，改善了電池包充電的不平衡性，提高了工作性能。
鋰離子電池包充電辦法選擇
1、單節(jié)鋰離子電池充電要求
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4.2V(4.1V)，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流依據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的持續(xù)逐步減小，當減小到10mA時，認為充電終止，充電曲線如圖1所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1鋰離子電池充電曲線
2、鋰離子電池包充電特性
在動力鋰離子電池包中由于各單體電池之間存在不一致性。繼續(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)電池包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包的使用壽命縮短。造成這種不平衡的緊要原由有：
●電池制作過程中，由于工藝等原由，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、充電辦法選擇
為了減小不平衡性對鋰離子電池包的影響，在充電過程中，要使用均衡電路。
目前有關(guān)鋰離子電池包進行均衡管理的辦法緊要有2種，能耗型和回饋型。能耗型是指給各個單體電池供應并聯(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包或電池包中的某些單體。
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(shè)計控制辦法復雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設(shè)計。
能耗型按能量回路解決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(chǔ)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(guān)矩陣，動態(tài)改變電池包內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu)。而分流并不斷開工作回路，而是給每只電池新增一個旁路電阻，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。由于動力鋰離子電池包功率較大，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(shè)計辦法。
系統(tǒng)設(shè)計及分解
1、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
如圖2系統(tǒng)框圖所示，工頻交流電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)化為18V/5A的直流電輸出給升壓電路，升壓電路依據(jù)CpU的控制信號為電池包充電供應一定的充電電流，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)對電池包整體充電電壓、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，以保證整個電池包充電的一致性。
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(guān)電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關(guān)電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/5A直流電輸出。由于當前開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在此就不再贅述。
升壓電路的用途是將開關(guān)電源輸出的直流電調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為電池包充電所要求的電壓、電流，并能夠依據(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(gòu)成電源反接保護電路，Q5是整個升壓電路的開關(guān)，Q2、Q4、U1構(gòu)成場效應管Q3驅(qū)動級電路，Q3、L1、D1、C4、C5構(gòu)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(guān)電源的正負極輸出分別接到DC+，DC-，開關(guān)管Q5關(guān)斷。CpU依據(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(guān)狀態(tài)，以出現(xiàn)所要的輸出電壓。
由于穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的均勻值為零。可得：
其中，UL為電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的均勻值;U0為輸出電壓;Ui為輸入電壓;T為開關(guān)周期;ton為Q3處于通態(tài)的時間;toff為Q3處于斷態(tài)的時間。令UL=0，在電感電流繼續(xù)的工作過程中有：
其中
因此只要調(diào)節(jié)pWM輸出的占空比，就能有效地控制電池的充電電壓。
由于單個鋰離子電池的電壓過小，為得到更大的工作電壓，一般要將鋰離子電池串聯(lián)使用。電池包充電過程中，要對每個電池的電壓情況進行實時監(jiān)控，以保證每個電池工作在正常工作狀態(tài)下，戒備發(fā)生過充現(xiàn)象，損壞鋰離子電池。
串聯(lián)鋰離子電池電池包中，各個鋰離子電池的基準電平不同。假設(shè)電池包中的電池電壓分別為a1，a2，?，則對地第一節(jié)電池電壓為a1，第二節(jié)電池電壓為a1+a2，以此類推。
在電壓監(jiān)控中我們要對各個電池的實時電壓進行比較，就非得設(shè)計一定的電路，將各個電池的電壓轉(zhuǎn)化到同一基準上。采取光耦隔離取樣的辦法可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化，考慮到線性光耦價格是一般光耦的10倍以上，出于工程中成本控制要，將一般光耦線性化連接以實現(xiàn)電壓的采集和實時監(jiān)控。
圖4電壓監(jiān)控電路
在如圖4所示的單體電池電壓監(jiān)控電路中，使用了同一型號同一批次的兩個一般光耦器件和兩個運算放大器。兩個光耦中，一個用于輸出，另外一個用于反饋。反饋用來補償發(fā)光二極管時間、溫度特性上的非線性。
在圖4中：
其中：K1，K2為電路中光耦U1，U2的電流傳輸比。
由電路可知：
其中Vbat為電池兩端電壓。由于選用同一型號同一批次的光耦，所以電流傳輸比近似相等，即K1=K2。
所以，有：
從式(5)可知，該測量電路的電壓增益只與電阻R1，R2的阻值有關(guān)，與光耦的電流傳輸參數(shù)等無關(guān)，從而實現(xiàn)了對電壓信號的線性隔離。經(jīng)如圖所示電路轉(zhuǎn)化后電池電壓被轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一參考地的輸出電壓Vout。
4、部分分流控制電路
如圖5分流控制電路所示，充電過程中，當某一單體電壓分明高于組內(nèi)其他電池時，CpU將控制端口拉高，則Q1導通，Q2基極電位被拉低，Q2導通，部分電能從旁路電阻R4分流，降低該電池充電速率，從而實現(xiàn)電池包各單體電池充電速率同步。
其中
Iequ為旁路電阻R4上所流過的電流，即均衡電流;p為旁路電阻R4上所消耗的功率;Ubat為電池兩端電壓。
圖5分流控制電路
均衡電流大小的選擇會筆直影響充電器的性能。
電流大，充電器整體發(fā)熱量大，工作穩(wěn)定性差。電流小，電壓調(diào)整幅度小，速率可調(diào)整幅度小。經(jīng)反復試驗，當Iequ≈0.1Icharge時，調(diào)整能力和發(fā)熱量達到最佳平衡狀態(tài)。
由于充電時Ubat的范圍為3~4V，該充電電池標稱容量為2000mAh，最大充電電流為2A.綜合上面因素，R4選擇將兩個47&電阻并聯(lián)。
結(jié)束語
由于單體鋰離子電池在制造工藝、工作環(huán)境等方面的差別，會造成鋰離子電池包串聯(lián)充電的不平衡性。運用部分分流法設(shè)計的能耗型鋰離子電池包均衡充電器，良好地處理了電池包充電的不平衡問題。有效地戒備過充現(xiàn)象，提高了鋰離子電池使用的安全性，新增了電池包的充電容量，延長了鋰離子電池包的使用壽命。經(jīng)過反復實驗，選擇最適參數(shù)，控制了發(fā)熱量，保證了充電器的長期穩(wěn)定工作。在設(shè)計過程中，充足考慮了實際加工的需求。在保證實用性和可靠性的前提下，簡化設(shè)計，選擇常用器件，提高了性價比，具有良好的使用前景。
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