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        淺析動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)問題

        2016-08-09 05:41:34天津力神電池股份有限公司
        電子世界 2016年13期
        關(guān)鍵詞:電路設(shè)計(jì)

        天津力神電池股份有限公司 王 曦

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        淺析動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)問題

        天津力神電池股份有限公司 王 曦

        【摘要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)環(huán)保的要求越來越高,發(fā)展清潔無污染的電動(dòng)交通工具變得迫切而必要,電動(dòng)車類的出現(xiàn)解決了車輛的尾氣污染問題,電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)車的重要技術(shù)之一,鋰離子電池由于自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)能為重要的動(dòng)力電池。本文主要探討動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)問題。

        【關(guān)鍵詞】動(dòng)力鋰電池組;充電管理;電路設(shè)計(jì)

        現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,人們的生活水平不斷提高,環(huán)保觀念深入人心,新型能源越來越受到人們的關(guān)注并且成為各國(guó)研究的焦點(diǎn)。電能無疑是應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力能源,鋰電池是動(dòng)力電能的首選,鋰電池的優(yōu)勢(shì)很多,包括壽命長(zhǎng)、沒有記憶效應(yīng)、較高的能量體積比和質(zhì)量比等。鋰電池組充電中具有不平衡性,動(dòng)力電池的充電技術(shù)是目前需要解決的問題。

        一、鋰電池概述

        過去我們熟知的傳統(tǒng)電池主要由電解液和正負(fù)極組成,常見的主要是蓄電池和一次性電池。蓄電池有鎳氫電池、鉛酸電池等,一次性電池又稱原電池,有堿錳電池、錳干電池等。鋰電池有鋰離子蓄電池和鋰原電池,一般手機(jī)等使用的多是鋰離子蓄電池。鋰電池在正負(fù)極之間移過來移過去,又稱搖椅電池,鋰離子在充電時(shí)從氧化物正極遷移,利用有機(jī)電解液傳導(dǎo)進(jìn)入負(fù)極,放電的時(shí)候從負(fù)極遷移向正極遷移,就像搖動(dòng)的椅子。在正常充電的情況下,一般不會(huì)引起晶體的破壞,鋰電池正極和負(fù)極的材料不會(huì)發(fā)生質(zhì)變。單體鋰離子電池的工作電壓比較高,一般高達(dá)3.6V到3.8V之間。鋰離子電池的容量大,使用壽命比較長(zhǎng),循環(huán)次數(shù)至少500次。在所有的金屬中,作為電池的材料,鋰的重量是最輕的,同時(shí)能夠提供高電壓以及高能量密度。鋰離子電池具有很好的環(huán)保效用,沒有對(duì)環(huán)境有重大污染的,類似鉛和汞的材料,而且沒有記憶效應(yīng)[1]。

        二、動(dòng)力鋰電池組充電方案選擇

        單節(jié)動(dòng)力鋰電池充電需要電流一定,保持恒流充電。電壓在充電過程中會(huì)不斷升高,當(dāng)達(dá)到額定電流的上限,一般是3.8V到4.2V之間的電壓上限,充電時(shí)便改用恒壓充電,不再使用恒流充電。在充電過程中,隨著電芯的逐漸飽和,電流會(huì)慢慢減小,減小到一定程度的時(shí)候充電就會(huì)終止,意味著充電過程的完成。

        動(dòng)力鋰電池組的充放電循環(huán)過程中,由于單體電芯的差異,整個(gè)動(dòng)力鋰電池組會(huì)有一定的差異,其中一部分的單節(jié)鋰電池容量會(huì)加速衰減。在串聯(lián)電池組里,單體電芯的最小容量決定整個(gè)電池組的容量。部分單體電芯的容量衰減,會(huì)影響整個(gè)電池組的使用壽命。出現(xiàn)這種鋰電池組充電不平衡的主要原因是單節(jié)電芯的自放電率不同,電池制作中的技術(shù)問題以及使用時(shí)周圍環(huán)境的差異。

        一般在每個(gè)電池出廠的時(shí)候,電阻和電壓是基本一致的,但是使用一段時(shí)間后,每個(gè)電池都會(huì)產(chǎn)生單體性能的差異,所以需要采用一定的技術(shù)手段來解決這個(gè)問題,否則由于單體電芯性能一致性的差異,可能導(dǎo)致某串電芯先充滿電而另一串沒充滿的現(xiàn)象。只有解決動(dòng)力鋰電池組充電不均衡的問題,才能改善鋰電池的工作性能,提高鋰電池的使用壽命[2]。因此在選擇充電方案時(shí),常使用均衡電路。現(xiàn)今對(duì)鋰電池的均衡管理主要是回饋型管理和能耗型管理。回饋型管理主要利用能量轉(zhuǎn)換器,向電池組中的個(gè)別單體電芯回饋偏差能量。從理論上講,如果把轉(zhuǎn)換效率忽略掉,在回饋過程中能量并沒有消耗,就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。但是這種方式設(shè)計(jì)復(fù)雜,成本較高。能耗型管理主要是利用分流轉(zhuǎn)移電能來實(shí)現(xiàn)均衡,提供并聯(lián)支路給每串單體電芯,對(duì)電壓過高的電芯進(jìn)行分流,實(shí)用性比較強(qiáng)。

        三、充電管理電路設(shè)計(jì)

        1.整體結(jié)構(gòu)

        通過開關(guān)電源的時(shí)候,工頻交流電會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化成低壓直流電(eg.18V/5A),向升壓電路輸出。根據(jù)CPU的控制信號(hào),依據(jù)一定的條件,升壓電路會(huì)為電池組提供充電電流。CPU會(huì)接收到電壓監(jiān)控系統(tǒng)的反饋,主要是各電池的實(shí)時(shí)電壓具體情況[3]。CPU對(duì)整個(gè)電池組電壓電流的控制主要通過升壓電路實(shí)現(xiàn),根據(jù)實(shí)時(shí)反饋,調(diào)整每個(gè)電池的充電速率,達(dá)到電池組充電的一致性和均衡性。

        2.升壓電路的具體設(shè)計(jì)

        開關(guān)電源電路和調(diào)壓電路關(guān)系著電能的輸入轉(zhuǎn)化,開關(guān)電源進(jìn)行直流電轉(zhuǎn)化和輸出,升壓電路調(diào)節(jié)直流電,使其轉(zhuǎn)化為鋰電池組需要的電壓和電流,并且按照充電的狀況能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。如圖1所示:

        圖1 

        Q5是升壓電路的整體開關(guān),充電器如果工作正常,開關(guān)電源的正極輸出接到DC+,負(fù)極輸出接到DC-。充電過程中,電池監(jiān)控電路會(huì)及時(shí)反饋電壓給CPU,CPU按照反饋的電壓對(duì)PWM的占空比進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算的結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。PWM調(diào)制信號(hào)控制Q3開關(guān)的情況,輸出需要的電壓。

        3.分流控制電路

        設(shè)計(jì)分流控制電路如圖2所示:當(dāng)對(duì)鋰電池組充電時(shí),如果其中一個(gè)單體電芯的電壓比電池組里其他串電芯的電壓高時(shí),電路控制核心CPU就會(huì)進(jìn)行動(dòng)作,使部分電能通過旁路電阻分流,從而降低電壓過高的單體電芯充電速率,使鋰電池組各串單體電芯充電速率一致。充電器的性能會(huì)受到均衡電流的影響,主要是均衡電流的大小選擇。如果電流大,充電器的穩(wěn)定性較差。

        圖2 設(shè)計(jì)分流控制電路圖

        總而言之,單體鋰電池在串聯(lián)充電中具有不平衡性,與它的工作環(huán)境以及制作技術(shù)相關(guān),這種不平衡性容易使鋰電池受到損害,縮短了它的使用壽命。在鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)中,采用分流法進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇能耗型進(jìn)行管理,能夠很好地解決不平衡問題,提高鋰電池使用的安全性,延長(zhǎng)使用壽命。

        參考文獻(xiàn)

        [1]趙慶川,李軍,孫世嶺.鋰離子動(dòng)力電池組保護(hù)與均衡電路設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2013,44(11):125-127.

        [2]冷炎.動(dòng)力電池組均衡充電管理系統(tǒng)研究[J].電信技術(shù),2015(12):9-12.

        [3]王坤.動(dòng)力鋰電池SOC估算及電池組管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2014.

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