葛海江

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系，浙江 杭州 310018）

GEHai-jiang

一種鋰電池充放電電流平衡算法的研究

葛海江

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系，浙江 杭州 310018）

針對(duì)鋰電池組中各電池容量不平衡導(dǎo)致電池過(guò)度充放電的問(wèn)題，提出一種鋰電池充放電電流平衡算法。通過(guò)給每個(gè)電池并聯(lián)MOS管加限流電阻的負(fù)載實(shí)現(xiàn)電流的分流；在電流及電壓的測(cè)量過(guò)程中提出二次差值法來(lái)消除內(nèi)部電路對(duì)AD采樣值的影響；對(duì)平衡算法的啟動(dòng)時(shí)間、條件及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算；對(duì)兩節(jié)串聯(lián)的鋰電池進(jìn)行電池電流平衡算法的測(cè)試。測(cè)試表明：經(jīng)過(guò)平衡算法后，兩節(jié)電池的充放電電壓變化曲線接近一致，取得了滿意的電池電流平衡效果。

鋰電池；充放電；電流平衡算法；MOS管；二次差值法

在許多便攜式設(shè)備中，單節(jié)鋰電池的供電電壓或者電流往往不夠，需要進(jìn)行多節(jié)同類(lèi)電池串聯(lián)或并聯(lián)。當(dāng)多節(jié)同類(lèi)的串聯(lián)電池有不同的電池容量時(shí)，給電池進(jìn)行充電或者放電時(shí)，傳統(tǒng)的方法是采用同樣的充電電流給多節(jié)電池一起充電，這樣會(huì)導(dǎo)致電池組的各個(gè)電池電壓充電不平衡，電壓高的電池先達(dá)到該電池的滿電壓，但總電壓不足，會(huì)繼續(xù)充電，從而造成該電池的過(guò)度充電；在放電時(shí)，往往是電池容量低的電池先耗電完，造成阻抗增加，使得整個(gè)電池組的供電能力減弱。電池組內(nèi)的電池過(guò)度充電和放電，會(huì)損耗電池的壽命[1]。如兩節(jié)串聯(lián)電池存在10%的容量差異，大多數(shù)充電器只監(jiān)控總電池電壓，充電時(shí)高容量的電池充電會(huì)上升到不安全的區(qū)域4.3 V以上。鑒于此，本文提出了一種鋰電池充放電電流平衡算法，在鋰電池充放電過(guò)程中對(duì)電池組進(jìn)行電流平衡控制[2-3]，并通過(guò)兩節(jié)串聯(lián)的鋰電池對(duì)該平衡算法進(jìn)行驗(yàn)證，取得了滿意的電池電流平衡效果。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 電池充放電電流平衡原理

一般情況下，電池組內(nèi)電池容量的差異在1%左右，如果電池組的電池有較高的溫度差異或者長(zhǎng)時(shí)間不使用，電池容量的差異會(huì)在5%左右。兩個(gè)電池容量如果相差過(guò)大，則在充放電過(guò)程中需要對(duì)電池容量進(jìn)行平衡操作。鋰電池充放電平衡算法的核心就是高容量電池有相對(duì)多余的電量，必須在充放電的時(shí)候被分流出去。電池充放電電流平衡采用給每個(gè)電池并聯(lián)負(fù)載的方式實(shí)現(xiàn)，采用MOS管串聯(lián)限流電阻的方法，如圖1所示。如果Cell1的電池電壓高于Cell2，那么讓Q1管導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，使得Cell1的部分電流通過(guò)Q1旁路被分流掉，這樣會(huì)使得兩個(gè)電池在充、放電時(shí)，兩個(gè)電池電流達(dá)到平衡。因?yàn)殡姵卦诮咏浜秒姾涂旆磐觌姷臅r(shí)候，d/d有最大值，這時(shí)候啟動(dòng)電池電流平衡程序?qū)⒈仍诔浞烹娭衅诨ㄙM(fèi)的時(shí)間更少，因此建議采用這個(gè)時(shí)間來(lái)啟動(dòng)平衡算法程序。

圖1 電池電流平衡方法

1.2 電池平衡負(fù)載功率計(jì)算

1.3 電池平衡負(fù)載選擇

1 h內(nèi)負(fù)載需要的平衡電流為2 500×0.15=375(mA)，假設(shè)電池上的平衡負(fù)載為100Ω，則bal=4.2/100=42(mA)，功率bal為0.176W。如果充電器的充電時(shí)間為2 h，放電時(shí)間為4 h，一個(gè)完整的充放電周期共消耗電流為42×6=252(mA)，所以要完全消除電池不平衡，則需要兩個(gè)周期。如果減小負(fù)載到40Ω則只需要1個(gè)周期。為了使電流平衡效果達(dá)到最佳，建議平衡負(fù)載在40～200Ω。

1.4 鋰電池充電過(guò)程

將鋰電池充電分成三個(gè)階段：電池激活階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。

(1)當(dāng)單個(gè)電池電壓在3.0 V以下時(shí)，電池先需要被激活，充電電流為0.05～0.15 A，這里設(shè)置act=0.06A；

(2)當(dāng)單個(gè)電池電壓達(dá)到3.0 V時(shí)，進(jìn)入恒流充電，充電電流為0.5～1 A，這里設(shè)置rap=0.8 A；

(3)當(dāng)恒流充電到電壓為4.2 V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電，這里設(shè)置rap=4.2 V；

(4)當(dāng)恒壓充電電流下降到0.07～0.2 A時(shí)，充電結(jié)束，這里設(shè)置stop=0.06 A；

鋰電池充電電流及電壓變化曲線參考文獻(xiàn)[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了有效地實(shí)現(xiàn)電池充放電流平衡算法，電池組中的各電池電壓及電流必須得到準(zhǔn)確測(cè)量。

2.1 電池充放電流平衡的電流及電壓計(jì)算

帶有電池電流平衡的充電器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，MCU采用Cypress公司PSoC系列的CY 8C24423器件。通過(guò)MCU的PWM信號(hào)來(lái)控制Q2和Q1，實(shí)現(xiàn)充電電流大小的調(diào)節(jié)；MOS管Q4、Q5直接受到IO口邏輯電平控制，高電平關(guān)斷，低電平導(dǎo)通；電池組中的各個(gè)電壓檢測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)RC濾波連到MCU的AD轉(zhuǎn)換器；R23為高精度電阻，用于檢測(cè)電池組電流的大小。

電池組電流即流過(guò)R23的電流為：

圖2 鋰電池充放電電流平衡電路

為了消除內(nèi)部運(yùn)放和AD采樣電路對(duì)AD采樣值的影響，本文提出一種兩次差值法。在固件設(shè)計(jì)時(shí)，每次先屏蔽模擬輸入線（AMUX），測(cè)試出運(yùn)放內(nèi)部電路的1值，然后再通過(guò)固件將模擬輸入線與外部信號(hào)電路連上，測(cè)出2值，將兩者進(jìn)行差值得到Δ，消除了內(nèi)部電路對(duì)采樣值的影響。

2.2 電池充放電流平衡的算法設(shè)計(jì)

(1)電池放電狀態(tài)的電流平衡算法設(shè)計(jì)

鋰電池在進(jìn)入深度放電后，阻抗會(huì)急劇增加，可達(dá)到幾個(gè)歐姆，使得×得到的電壓不是電池的真正電壓，因此在電流平衡算法設(shè)計(jì)時(shí)要避開(kāi)這個(gè)階段。在放電狀態(tài)下，除了電壓本身的測(cè)量誤差外還需要加上電池內(nèi)部阻抗的誤差值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，這里選擇了電池有效使用時(shí)的中間電壓disch_mid= (3.0+4.3)/2作為切換點(diǎn)，當(dāng)工作電流在1 A以下且電池電壓大于disch_mid時(shí)，電池的內(nèi)部阻抗在0.2Ω以下，阻抗的微小變化不會(huì)對(duì)誤差電壓造成影響。

當(dāng)滿足如下條件：兩節(jié)電池的電壓差異大于設(shè)定的最小平衡電壓(max－min＞disch_balmin)；較大的電池的電壓大于中間電壓時(shí)(max＞mid)，啟動(dòng)放電狀態(tài)下電池電流平衡。disch_balmin包括測(cè)量誤差和阻抗誤差即disch_balmin=meas_err+in_err。meas_err為0.015 V，in_err為0.02 V，平衡算法流程如圖3所示。

(2)電池充電狀態(tài)的電流平衡算法設(shè)計(jì)

圖3 電池充放電電流平衡算法

鋰電池在充電狀態(tài)下，如果要避開(kāi)阻抗差異造成的電壓誤差，最好的方法在進(jìn)行電池電壓的測(cè)量時(shí)關(guān)閉充電功能。通過(guò)這種方式得到的電池電壓，有效消除了阻抗的影響，電壓的誤差就只存在測(cè)量誤差。因此在充電狀態(tài)下，在電池的整個(gè)充電過(guò)程中都可以應(yīng)用電池平衡算法。

當(dāng)滿足如下條件：兩節(jié)電池的電壓差異大于設(shè)定的最小平衡電壓；充電電流大于最小設(shè)定的充電電流，啟動(dòng)充電狀態(tài)下電池電流平衡。，平衡算法流程如圖3所示。

(3)電池組內(nèi)電池分流與MOS管旁路的邏輯控制

平衡電池1和平衡電池2是通過(guò)MCU的bal1和bal2的IO端口的邏輯電平進(jìn)行控制，當(dāng)bal1為0，bal2為1，則Q5導(dǎo)通，Q4截止，電池cell1通過(guò)旁路進(jìn)行分流，達(dá)到平衡電池1的目的；電池2也類(lèi)似。

3 測(cè)試及結(jié)論

設(shè)置電池電流平衡算法檢測(cè)的時(shí)間間隔為20 s，即每隔20 s就執(zhí)行一次電池電流平衡算法，判斷是否需要進(jìn)行電池的電流平衡操作。算法測(cè)試主要參數(shù)如下：

對(duì)兩節(jié)鋰電池進(jìn)行電池電流平衡算法的驗(yàn)證，通過(guò)采集串口輸出的數(shù)據(jù)，得到電池充放電電流變化曲線如圖4所示，電池充放電時(shí)的電流平衡活動(dòng)與電池電壓變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，經(jīng)過(guò)電池電流平衡算法后，兩電池的充電電壓變化曲線接近一致；第二次兩電池的電壓放電曲線跟第一次相比，效果明顯改善。該電池電流平衡算法有效地解決了因鋰電池組中各電池電壓不同，導(dǎo)致電池電流過(guò)度充電或過(guò)度放電的問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)單改變相關(guān)的參數(shù)，該算法可以廣泛應(yīng)用于在充放電時(shí)多節(jié)電池需要電流平衡的場(chǎng)合。

圖4 電池充放電電流曲線

圖5 電池充放電時(shí)的電流平衡活動(dòng)與電池電壓變化曲線

[1]王天福,劉強(qiáng),李志強(qiáng).動(dòng)力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù),2011,35(9):1069-1071.

[2]黃勤,嚴(yán)賀彪,凌睿.串聯(lián)鋰電池組無(wú)損均衡管理方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(12):226-229.

[3]吳鐵洲,陳學(xué)廣,張杰,等.HEV鋰離子串聯(lián)電池組混合均衡策略研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,39(2):102-104.

[4]牛黎明.鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 2002(4):11-13.

Research on current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging

According to excessive charge and discharge problem lead by the capacity imbalance of each cellof Li-ion battery,a current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging process was proposed.Current shunting was achieved by paralleling a load of a MOS with a current-lim iting resistor to each cell.During the current and voltage measurementprocess，in order to elim inate the impactof the internalcircuiton AD sam pling value,tw ice difference method was proposed.Start-up time and conditions of the current-balancing algorithm and involving parameters were analyzed and calculated.The current-balancing algorithm was tested in the two-cellseries battery. Experimental results show that the charge and discharge voltage curves for two cells are nearly identicalby using the algorithm.Satisfactory battery current-balancing results were achieved.

Li-ion battery;charging and discharging;current-balancing algorithm;MOSFET;twice differencemethod

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0835-03

GEHai-jiang

2013-10-18

葛海江(1980—)，男，浙江省人，講師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)應(yīng)用、無(wú)線通訊。