動力鋰電池組充電管理電路設計分析

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摘要：本文通過對單體鋰電池特征進行描述，并且綜合分析和對比了均衡充電理論，根據(jù)分析比較結(jié)果，設計了動力鋰電池組的充電管理電路，具體表現(xiàn)在動力鋰電池組的工作性能的提升以及使用壽命的延長，有效地改善了其充電的一致性。

關鍵詞：動力鋰電池組；充電管理；電路設計

1設計動力鋰電池組充電管理電路的必要性

雖然大部分電池在出廠時擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動力技術的基礎下，要滿足相應電壓的需求也必須串聯(lián)鋰電池。而每個鋰電池經(jīng)過一段時間的使用之后都會產(chǎn)生不同的單體性能，這就導致了差異性的存在，這種差異的存在直接導致的就是鋰電池的充電不均衡，而這種不均衡需要通過一定的技術來解決。本文選擇能耗型部分分流的方法除了能有效地解決此類問題外，更是考慮到工業(yè)成本問題以及動力鋰電池組充電的穩(wěn)定性需求進行的充電管理電路的設計。

2鋰電池組充電方案的選擇

2．1單節(jié)動力鋰電池充電的方式

單節(jié)動力鋰電池充電的方式分為前后2個階段。第1階段為恒流階段，具體而言就是電流一定，電壓不斷地升高。第2階段為恒壓階段，具體而言就是保障電壓一定，逐漸減小電流。恒流階段向恒壓階段的轉(zhuǎn)換以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為界（不同的鋰電池材料體系會有不同電壓的上限，一般是3．8～4．2V）。而恒壓階段則以電芯的飽和程度為依據(jù)，而整個充電過程完成的標志就是當電流減小到10mA時就會停止充電。

2．2動力鋰電池組的充電方式

雖然大部分電池在出廠時擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動力技術的基礎下，要滿足相應電壓的需求也必須串聯(lián)鋰電池。而每個鋰電池經(jīng)過一段時間的使用之后都會產(chǎn)生不同的單體性能。而這些單體差異的存在將會導致充放電循環(huán)也會產(chǎn)生一定的差異，并且將持續(xù)在整個動力鋰電池組充放電循環(huán)中。如此一來便使得部分單節(jié)鋰電池的容量加速衰減。而串聯(lián)電池組的容量是由最小容量單體電池的電容量直接決定的。因此，衰減過快將會導致電池的使用壽命的減少。鋰電池組的充電不平衡主要由以下幾個方面造成：首先，是制作工藝直接出現(xiàn)問題，同一批次的電池的內(nèi)阻和容量在出廠的時候就直接不同。其次是在使用過程中由于動力鋰電池組的充電管理電路設計問題導致的電池出現(xiàn)不同的自放電率，從而在使用了一段時間過后電池的容量出現(xiàn)差異性，這是本文要解決的問題。最后，在使用電池的過程中，由于環(huán)境的差異也會造成電池容量的不平，例如溫度。

2．3選擇科學的充電方案

鋰電池組有2種用得比較多的均勻管理方案：一種是能耗型，另一種是回饋型。能耗型的管理方案是通過并聯(lián)支路來進行分流，通過轉(zhuǎn)移掉部分電能來降低單體電池的充電速度，控制其異常的超水平電壓，從而實現(xiàn)降低電壓的目的，使其回到正常的水平。回饋型的管理方案主要依靠的是能量轉(zhuǎn)換器，把單體出現(xiàn)的偏差能量通過能量轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)化，從而保障各個電池的工作維持在同一水平上。但是回饋型的方案在實際應用中存在成本高的問題，因為它忽視了轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率以及轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中能量消耗的問題，該方案是比較理想型的，它基于轉(zhuǎn)換器的工作不會產(chǎn)生能量的消耗，現(xiàn)實使用中是不可能不消耗能量的，而且它的控制方法設計得比較復雜，不容易實施，它的成本也是比較高的。能耗型管理方案可以按照能量回路的不同處理方式分為2個不同的類型，即斷流和分流。斷流就是實時監(jiān)測各個單體電池的電壓，一旦出現(xiàn)超標的異常，就會自動把其所在的電路斷開，停止充電，充電電流就流向其它電路。這種斷流的方式可以通過開關矩陣來實現(xiàn)。開關矩陣可以由機械觸點或者電子部件構(gòu)成，當某一單體電池出現(xiàn)異常的時候，它就會改變電路的動態(tài)。分流與斷流不同的是它不會斷開異常電路，而是通過旁路電阻來分流，從而實現(xiàn)各個電池在充電時的均衡性。鋰電池有功率大的特點，分流更具有優(yōu)勢，不僅僅可以進行更好地熱管理，還能提高充電效率。

3充電管理電路具體設計方案

3．1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計

主要以CPU控制信號為依據(jù)進行控制，電壓監(jiān)控電路中電池的實時電壓，并向CPU進行反饋。在打開電源開關時，工頻交流電將會轉(zhuǎn)化成電池組額定電壓／電池組額定充電電流直流電，輸出到升壓電路中，通過升壓電路以及信息反饋實現(xiàn)CPU對電池組的整體充電電流和電壓的控制，科學地調(diào)整每個單體電池的充電速率，達到整個電池組充電一致的目的。

3．2設計電壓監(jiān)控環(huán)節(jié)

要組成鋰電池組，就一定要以合理的方式，采用串聯(lián)多個鋰電池的方式就能很好地滿足工作的需要。同時在進行工作的過程中，要做到對每一個電池都進行監(jiān)控，這是保證電池壽命不會為了過充而損壞的關鍵。

3．3設計分流控制電路

在充電的過程中也要做好分流控制設計。因為電池組中有些電池在充電時會有較大的電壓差異，這就導致會有不同步的充電速率而發(fā)生損壞。因此，通過設計用CPU拉高控制端口的操作就可以實現(xiàn)這種分流電能的效果。

4結(jié)語

鋰電池相比較其它的電池具有可多次充放電、對環(huán)境友好等眾多的突出優(yōu)點。本文在分析了單個電池與電池組的充電方式后，提出相關的具體設計，通過這些設計解決動力鋰電池在實際應用中的問題，以此希望助推動力鋰電池組的發(fā)展。

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）：18－22．

［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）：226－229．

作者：羅鋒華 單位：江西現(xiàn)代職業(yè)技術學院