天津力神電池股份有限公司 王 曦

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淺析動力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計問題

天津力神電池股份有限公司 王 曦

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

【關(guān)鍵詞】動力鋰電池組；充電管理；電路設(shè)計

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)注并且成為各國研究的焦點。電能無疑是應(yīng)用最廣泛的動力能源，鋰電池是動力電能的首選，鋰電池的優(yōu)勢很多，包括壽命長、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，放電的時候從負(fù)極遷移向正極遷移，就像搖動的椅子。在正常充電的情況下，一般不會引起晶體的破壞，鋰電池正極和負(fù)極的材料不會發(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，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、動力鋰電池組充電方案選擇

單節(jié)動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，電流會慢慢減小，減小到一定程度的時候充電就會終止，意味著充電過程的完成。

動力鋰電池組的充放電循環(huán)過程中，由于單體電芯的差異，整個動力鋰電池組會有一定的差異，其中一部分的單節(jié)鋰電池容量會加速衰減。在串聯(lián)電池組里，單體電芯的最小容量決定整個電池組的容量。部分單體電芯的容量衰減，會影響整個電池組的使用壽命。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)問題以及使用時周圍環(huán)境的差異。

一般在每個電池出廠的時候，電阻和電壓是基本一致的，但是使用一段時間后，每個電池都會產(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，常使用均衡電路。現(xiàn)今對鋰電池的均衡管理主要是回饋型管理和能耗型管理?；仞佇凸芾碇饕媚芰哭D(zhuǎn)換器，向電池組中的個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，就可以實現(xiàn)動態(tài)均衡。但是這種方式設(shè)計復(fù)雜，成本較高。能耗型管理主要是利用分流轉(zhuǎn)移電能來實現(xiàn)均衡，提供并聯(lián)支路給每串單體電芯，對電壓過高的電芯進(jìn)行分流，實用性比較強(qiáng)。

三、充電管理電路設(shè)計

1.整體結(jié)構(gòu)

通過開關(guān)電源的時候，工頻交流電會發(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，依據(jù)一定的條件，升壓電路會為電池組提供充電電流。CPU會接收到電壓監(jiān)控系統(tǒng)的反饋，主要是各電池的實時電壓具體情況［3］。CPU對整個電池組電壓電流的控制主要通過升壓電路實現(xiàn)，根據(jù)實時反饋，調(diào)整每個電池的充電速率，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

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)行實時調(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)控電路會及時反饋電壓給CPU，CPU按照反饋的電壓對PWM的占空比進(jìn)行計算，根據(jù)計算的結(jié)果輸出對應(yīng)的調(diào)制信號。PWM調(diào)制信號控制Q3開關(guān)的情況，輸出需要的電壓。

3.分流控制電路

設(shè)計分流控制電路如圖2所示：當(dāng)對鋰電池組充電時，如果其中一個單體電芯的電壓比電池組里其他串電芯的電壓高時，電路控制核心CPU就會進(jìn)行動作，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)計中，采用分流法進(jìn)行設(shè)計，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，延長使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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

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