鉅大LARGE | 點擊量：922次 | 2021年08月29日
基于鋰離子電池包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量比和能量體積比，無記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命較長等優勢成為動力電能的首選。
作為一種新型動力技術，鋰離子電池在使用中非得串聯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問題，即使每只電池出廠時電壓，內阻完全一致，使用一段時間以后，也會出現差異，這使得處理動力鋰離子電池充電技術問題成為急切要處理的技術問題。本設計在充足考慮工業成本控制和穩定性要求的基礎上，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、單節鋰離子電池充電要求
對單節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，電流依據電芯的飽和程度，隨著充電過程的持續逐步減小，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。繼續的充放電循環導致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯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、內阻等存在差異;
●電池自放電率的不同，經長時間積累，造成電池容量的差異;
●電池使用過程中，使用環境如溫度、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支路，將電壓過高的單體電池通過分流轉移電能達到均衡目的。回饋型是指通過能量轉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，當忽略轉換效率時，回饋不消耗能量，可實現動態均衡。但由于回饋型設計控制辦法復雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設計。
能耗型按能量回路解決方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監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，動態改變電池包內單體之間的連接結構。而分流并不斷開工作回路，而是給每只電池新增一個旁路電阻，當某單體電池高于組內其他電池時，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計辦法。
系統設計及分解
1、系統整體結構
如圖2系統框圖所示，工頻交流電通過開關電源轉化為18V/5A的直流電輸出給升壓電路，升壓電路依據CpU的控制信號為電池包充電供應一定的充電電流，電壓監控電路將電池的實時電壓情況反饋給CpU，CpU通過升壓電路實現對電池包整體充電電壓、電流的控制。通過均衡電路實現各個單體電池充電速率調整，以保證整個電池包充電的一致性。
圖2系統整體框圖
2、升壓電路
電能的輸入轉化環節由開關電源電路和調壓電路兩部分組成。開關電源將輸入的工頻交流電轉化為18V/5A直流電輸出。由于當前開關電源技術已經相當成熟，在此就不再贅述。
升壓電路的用途是將開關電源輸出的直流電調節轉化為電池包充電所要求的電壓、電流，并能夠依據充電狀態對輸出電壓、電流進行實時調節。
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驅動級電路，Q3、L1、D1、C4、C5構成bOOST升壓調節電路，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依據電池監控電路反饋的電壓計算出的pWM占空比，輸出相應的調制信號。pWM調制信號經過驅動級放大調整，控制Q3開關狀態，以出現所要的輸出電壓。
由于穩態條件下，電感兩端電壓在一個開關周期內的均勻值為零。可得：
其中，UL為電感兩端電壓在一個開關周期內的均勻值;U0為輸出電壓;Ui為輸入電壓;T為開關周期;ton為Q3處于通態的時間;toff為Q3處于斷態的時間。令UL=0，在電感電流繼續的工作過程中有：
其中
因此只要調節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控，以保證每個電池工作在正常工作狀態下，戒備發生過充現象，損壞鋰離子電池。
串聯鋰離子電池電池包中，各個鋰離子電池的基準電平不同。假設電池包中的電池電壓分別為a1，a2，?，則對地第一節電池電壓為a1，第二節電池電壓為a1+a2，以此類推。
在電壓監控中我們要對各個電池的實時電壓進行比較，就非得設計一定的電路，將各個電池的電壓轉化到同一基準上。采取光耦隔離取樣的辦法可以實現電平轉化，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電壓的采集和實時監控。
圖4電壓監控電路
在如圖4所示的單體電池電壓監控電路中，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，與光耦的電流傳輸參數等無關，從而實現了對電壓信號的線性隔離。經如圖所示電路轉化后電池電壓被轉化為具有統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，充電器整體發熱量大，工作穩定性差。電流小，電壓調整幅度小，速率可調整幅度小。經反復試驗，當Iequ≈0.1Icharge時，調整能力和發熱量達到最佳平衡狀態。
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。
結束語
由于單體鋰離子電池在制造工藝、工作環境等方面的差別，會造成鋰離子電池包串聯充電的不平衡性。運用部分分流法設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。經過反復實驗，選擇最適參數，控制了發熱量，保證了充電器的長期穩定工作。在設計過程中，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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