《電子技術(shù)應(yīng)用》
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串連蓄電池組的均充方法研究
摘要: 單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限,在很多場(chǎng)合下要組成串連蓄電池組來(lái)使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問(wèn)題。如何提高蓄電池組的使用壽命,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本,是擺在我們面前的重要問(wèn)題。
Abstract:
Key words :

單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限,在很多場(chǎng)合下要組成串連蓄電池組來(lái)使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問(wèn)題。如何提高蓄電池組的使用壽命,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本,是擺在我們面前的重要問(wèn)題。

  蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定,其中最重要的是蓄電池本身的物理性能。

  此外,電池管理技術(shù)的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對(duì)蓄電池組來(lái)說(shuō),除去上述原因,單體電池間的不一致性也是個(gè)重要因素。針對(duì)蓄電池充放電過(guò)程中存在的單體電池不均衡的現(xiàn)象,筆者分析比較了目前的幾種均充方法,結(jié)合實(shí)際提出了無(wú)損均充方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

  現(xiàn)有的均衡充電方法

  實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進(jìn)行均充,目前主要有以下幾種方法。

  1.在電池組的各單體電池上附加一個(gè)并聯(lián)均衡電路,以達(dá)到分流的作用。在這種模式下,當(dāng)某個(gè)電池首先達(dá)到滿充時(shí),均衡裝置能阻止其過(guò)充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能,繼續(xù)對(duì)未充滿的電池充電。該方法簡(jiǎn)單,但會(huì)帶來(lái)能量的損耗,不適合快充系統(tǒng)。

  2.在充電前對(duì)每個(gè)單體逐一通過(guò)同一負(fù)載放電至同一水平,然后再進(jìn)行恒流充電,以此保證各個(gè)單體之間較為準(zhǔn)確的均衡狀態(tài)。但對(duì)蓄電池組,由于個(gè)體間的物理差異,各單體深度放電后難以達(dá)到完全一致的理想效果。即使放電后達(dá)到同一效果,在充電過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。

  3.定時(shí)、定序、單獨(dú)對(duì)蓄電池組中的單體蓄電池進(jìn)行檢測(cè)及均勻充電。在對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電時(shí),能保證蓄電池組中的每一個(gè)蓄電池不會(huì)發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的情況,因而就保證了蓄電池組中的每個(gè)蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。

  4.運(yùn)用分時(shí)原理,通過(guò)開(kāi)關(guān)組件的控制和切換,使額外的電流流入電壓相對(duì)較低的電池中以達(dá)到均衡充電的目的。該方法效率比較高,但控制比較復(fù)雜。

  

 

  圖1 分時(shí)控制均充原理圖

  5.以各電池的電壓參數(shù)為均衡對(duì)象,使各電池的電壓恢復(fù)一致。如圖2所示,均衡充電時(shí),電容通過(guò)控制開(kāi)關(guān)交替地與相鄰的兩個(gè)電池連接,接受高電壓電池的充電,再向低電壓電池放電,直到兩電池的電壓趨于一致。

  該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問(wèn)題,但該方法主要用在電池?cái)?shù)量較少的場(chǎng)合。

  

 

  圖2 均衡電壓充電原理示意圖

  6.整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制,單體電池都有獨(dú)立的一套模塊。模塊根據(jù)設(shè)定程序,對(duì)各單體電池分別進(jìn)行充電管理,充電完成后自動(dòng)斷開(kāi)。

  該方法比較簡(jiǎn)單,但在單體電池?cái)?shù)多時(shí)會(huì)使成本大大增加,也不利于系統(tǒng)體積的減小。

  無(wú)損均充電路

  本文提出了一種無(wú)損均充電路。均充模塊啟動(dòng)后,過(guò)充的電池會(huì)將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。其效率高損失少,所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。

  1 電路設(shè)計(jì)

  N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組,主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路,如圖3所示。圖中BTi是單體電池,Si是MOSFET,電感Li是儲(chǔ)能元件。Si、Li、Di構(gòu)成一個(gè)分流模塊Mi。

  在一個(gè)充電周期中,電路工作過(guò)程分為兩個(gè)階段:電壓檢測(cè)階段(時(shí)間為Tv)和均充階段(時(shí)間為Tc)。在電壓檢測(cè)階段,均衡旁路電路不工作,主電源對(duì)電池組充電,同時(shí)檢測(cè)電池組中的單體電池電壓,并根據(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段,旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài),對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階段中,流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的,也是各不相同的。

  

 

  圖3 均充電路

  除去連接在B1兩端的M1,所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中,由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔?,所有的分流模塊都會(huì)將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中,而M1則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。

2 開(kāi)關(guān)管占空比的計(jì)算

 

 

  充電時(shí)電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得出,其中V是電池的端電壓。

  SOC=-0.24V 2+7.218V- 53.088 (1)

  SOC是電池當(dāng)前容量與額定容量之比,SOC=Q/Q TOTAL×100%。

  通過(guò)把電壓檢測(cè)階段末期檢測(cè)到的電池電壓轉(zhuǎn)化為荷電狀態(tài),而單節(jié)電池的儲(chǔ)存容量Qest,n與SOC存在相應(yīng)的關(guān)系,Qest,n可以被估算出來(lái)。

  在充電平衡階段,從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中,Tcep為一個(gè)充電周期內(nèi)均充階段的時(shí)間。為使在均充階段達(dá)到單節(jié)電池儲(chǔ)存容量的平衡,均充的目標(biāo)Q tar應(yīng)為:

  (2)

 

  但是,在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉(zhuǎn)換是相互影響的,單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算。不過(guò),Gauss-Seidel迭代法可以解決這個(gè)問(wèn)題。

  期望的儲(chǔ)存容量Q n可以用下式來(lái)計(jì)算:

  (3)

 

  其中,I dis,n是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均電流,I obt,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Q tar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達(dá)到均充時(shí)的電荷量,Q n是期望的儲(chǔ)存容量,取Q tar=Q n,即(2)、(3)相等。通過(guò)相應(yīng)換算,得到占空比 的計(jì)算公式:

  (4)

 

  這里的函數(shù)f N只是一個(gè)示意函數(shù),表示D n和D 2...D 3存在一定關(guān)系。

  3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

  為了驗(yàn)證本文的均衡充電方法,以兩節(jié)單體電池組成的蓄電池組為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析,主要驗(yàn)證旁路中開(kāi)關(guān)管對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用??刂屏鞒桃?jiàn)圖4。

  

 

  圖4 控制流程

  由于沒(méi)有現(xiàn)成的蓄電池,需用替代電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。充電過(guò)程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化,并且充電過(guò)程中電池蓄積能量,根據(jù)對(duì)蓄電池的物理性質(zhì)的分析和相關(guān)資料,采用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代單體蓄電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

  本實(shí)驗(yàn)中,選用兩個(gè)小功率NPN管C1815(Q1、Q2)來(lái)替代開(kāi)關(guān)管,用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開(kāi)關(guān)。同時(shí),蓄電池的端電壓V1和V2由差動(dòng)放大電路采集,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到CPU。在整個(gè)過(guò)程中,電壓每20ms采樣一次,每隔1s上傳上位機(jī)并保存并自動(dòng)繪制曲線。圖5為試驗(yàn)電路圖。

  

 

圖5 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

 

  圖6為根據(jù)采樣數(shù)值繪制的曲線。

  

 

  圖6 充電過(guò)程中蓄電池端電壓曲線

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

  通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,充電開(kāi)始時(shí)電壓相差為1.98V ,在經(jīng)過(guò)充電140s后,電壓相差值約為0.2V;在均充過(guò)程中,電池電壓有趨向一致的趨勢(shì)。均充方法能根據(jù)單體電池的差異,縮短蓄電池組之間的不一致性,使蓄電池組的整體性能得到提高,壽命延長(zhǎng)。

  同時(shí),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,該方法也有效果不理想的地方,那就是兩節(jié)電池端電壓差值較大。究其原因,一是本實(shí)驗(yàn)中用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代蓄電池,這和真實(shí)的蓄電池存在差別,無(wú)法達(dá)到理想的模擬狀態(tài);二是本實(shí)驗(yàn)主要是檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)對(duì)電壓的均衡影響,在很多環(huán)節(jié)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,忽略了一些次要因素,而這些因素也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。

  但總的來(lái)說(shuō),本實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)定的目的,證明了無(wú)損均充法的可行性。

 

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