文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)05-0055-04
作為移動設(shè)備主流電池產(chǎn)品,鋰電池電源逐漸往大功率、大電流、高電壓供電設(shè)備發(fā)展,這使得鋰電池往往需要串聯(lián)使用。由于電池制造過程中的初始性能(如自放電率、容量等)不一致以及使用過程中由于電池內(nèi)外環(huán)境(如溫度)的不均勻造成老化速度不同[1],使得電池的容量可能會不相同且它們之間的差異隨著使用時間增加,嚴(yán)重影響整個電池組的使用壽命及性能。
為了充分利用串聯(lián)鋰電池組的全部電池容量,需要在充放電過程中進(jìn)行電量均衡管理。一般采用分流損耗[2-3]和電量轉(zhuǎn)移的方法[4-7]。前者是通過在各單串電池并聯(lián)分流旁路對容量高的電池串進(jìn)行放電損耗來進(jìn)行均衡,這種方式電路結(jié)構(gòu)簡單,但存在功率損耗大和發(fā)熱嚴(yán)重的問題;后者通常通過DC/DC隔離輸出電路將載荷高的電池電量轉(zhuǎn)移到較低的一串電池中,這種均衡輸出都是對單串電池充電,輸出電壓一般在4 V以下,整流損耗很大,通常效率低于80%,電路結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜,且需要隔離耦合。還有一種電量搬遷的方法[8],把超級容量電容或另外一個電池作為中間載體,在電量高、低的兩串電池之間反復(fù)進(jìn)行充放電切換實(shí)現(xiàn)均衡,但這種無源被動式充放電需要電池與中間載體電壓差在0.1 V,因此兩串電池之間電壓差在0.2 V以上,均衡偏差大,速度慢,很難跟上充電放電速度。本文設(shè)計(jì)分?jǐn)嗍骄獾匿囯姵亟M電源管理系統(tǒng),采用分?jǐn)?串接切換的方式實(shí)現(xiàn)對電池組的均衡管理,避免傳統(tǒng)均衡方式的能量損耗和轉(zhuǎn)換效率低的問題,同時在充電過程中借助DC電源線與充電器進(jìn)行通信,以適應(yīng)不同串?dāng)?shù)鋰電池組的充電電壓范圍。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鋰電池電源管理系統(tǒng)包括電池組電源模塊和充電電源模塊(充電器)。圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。兩個模塊均采用STC單片機(jī)作為微處理單元(MCU)。電壓檢測/控制電路定時對鋰電池組進(jìn)行電壓采樣,并控制分?jǐn)?串接切換電路對電池組進(jìn)行分?jǐn)嗑狻3潆娺^程中,電池組電源模塊通過脈沖信號調(diào)制電路將信息經(jīng)DC電源線發(fā)送至充電電源模塊,由電流脈沖信號解調(diào)電路完成信號的檢測,實(shí)現(xiàn)兩模塊間的通信。同時,通過輸出電壓控制電路,根據(jù)鋰電池組的電壓狀態(tài)或不同串?dāng)?shù),調(diào)節(jié)AC/DC開關(guān)電路輸出的充電電壓電流,實(shí)現(xiàn)安全、高效的充電。
2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)
2.1 分?jǐn)?串接切換電路
本設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?串接切換電路對串聯(lián)鋰電池組進(jìn)行均衡管理。其原理是各串電池能量差別較大時,將容量較低的電池串從電池組中分離斷開,閑置一定時間后再將它重新串接到電池組中,由此實(shí)現(xiàn)各串電池的均衡放電或充電。
圖2所示為4串鋰電池組分?jǐn)?串接切換電路。每串鋰電池(B1~B4)均與一個單刀雙擲繼電器(S1~S4)連接。若電池組處于放電狀態(tài),MCU將對最高電壓和最低電壓進(jìn)行比較,如果差值ΔV超過設(shè)定的閾值,MCU控制相應(yīng)的繼電器進(jìn)行切換,使放電電流從繼電器另一觸點(diǎn)繞過,直至電壓差值ΔV小于閾值,再將它重新串入到電池組中再次工作。這樣,通過反復(fù)的檢測-分?jǐn)?串接過程,實(shí)現(xiàn)鋰電池組各串之間的放電均衡。
若電池組處于充電狀態(tài),當(dāng)檢測到某串電池已經(jīng)飽和時,為避免飽和的一串電池由于IC保護(hù)電路防止過充而關(guān)斷充電回路,則將該電池串分?jǐn)?,充電電流繞過該電池串繼續(xù)給其他電池充電,從而解決了電池組充電均衡的問題。
系統(tǒng)實(shí)際工作中,繼電器的觸點(diǎn)切換通常需要幾毫秒到十毫秒的時間。在這段時間里,為了避免出現(xiàn)供電電流中斷的情況,在各串電池間并聯(lián)一個二極管(D1~D4)。正常工作時,二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài);而繼電器觸點(diǎn)切換期間,二極管保持正向?qū)ǎ员WC電流持續(xù)輸出。
2.2 脈沖信號調(diào)制電路
為實(shí)現(xiàn)電池組電源模塊和充電器之間的通信,本文采用了DC充電電源線傳輸電流脈沖信號的方法,無需增加專用的物理信道,操作方便。
圖3所示為脈沖信號調(diào)制電路。整個電路由電阻Rd和MOS管Q0串聯(lián)組成,在電池組前端充電線上并聯(lián)接入。通信時,MCU控制MOS管Q0導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生一定頻率(如1 kHz、2 kHz等)的脈沖電流,這些電流脈沖疊加在直流充電電流上,不同的頻率代表不同的控制信息。此外,為了防止電池組、Rd和MOS管Q0形成放電回路,在電池組前端加入二極管D0作為隔離。
2.3 電流脈沖信號解調(diào)電路
DC電源線上電流脈沖信號的解調(diào)將采用瞬間脈沖電流與積分電流比較的方法。
圖4所示為電流脈沖信號解調(diào)電路。Rs為電流采樣電阻,可以采集充電回路中的脈沖電流信號。比較器U4A同相輸入端與R12和R14組成分壓電路相連,反向輸入端則連接由R13和C4構(gòu)成的RC積分電路。通常情況下,積分電流大于瞬間脈沖電流,即反相輸入端電壓略高于同相輸入端,使輸出端輸出低電平。當(dāng)電流脈沖信號到來時,瞬間脈沖電流大于積分電流,輸出高電平。為了防止回路中干擾信號引起的電流抖動造成誤判斷,再加入一級比較器U4B。這樣就將電流脈沖信號還原成了原始頻率的控制信號。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件程序設(shè)計(jì)分為充電器端和電池組電源模塊端兩部分。限于篇幅,本文只給出了電池組電源模塊主程序流程圖,如圖6所示。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能分析
圖7為4串鋰電池電源管理系統(tǒng)中各串電池在充放電狀態(tài)下的電壓值變化和均衡曲線。
圖7(a)中,對初始電壓分別為3.85 V、3.76 V,3.81 V和3.82 V的4串電池B1~B4進(jìn)行串聯(lián)充電。充電開始時,雖然電池串B2的電壓值最低,但由于其容量較其他電池串小,在100 min時,其電壓值先達(dá)到了4.20 V,MCU隨即將B2從電池組中分?jǐn)喑鰜?,剩余電池串則繼續(xù)充電。直至120 min時,整個串聯(lián)電池組完成充電。
圖7(b)所示為放電均衡電壓曲線。實(shí)驗(yàn)采用20 Ω恒定阻值的放電方式,且設(shè)定切換閾值≥0.1 V,每隔5 min檢測一次。由圖7(b)可知,電池串B2的初始電壓值最低,為4.10 V。隨著放電過程的進(jìn)行,B2的電量消耗越來越快,電壓差值ΔV也越來越大。70 min時,B2電壓值(3.74 V)與B3電壓值(3.84 V)的差值ΔV達(dá)到0.1 V。此時,MCU控制繼電器分?jǐn)郆2,停止其放電工作。5 min后,經(jīng)再次檢測,B2電壓值(3.74 V)與最高電壓3.78 V差值小于0.1 V,則重新將其串入電池組中繼續(xù)參與放電。同理,在90 min和105 min時,B2和B1也分別被分?jǐn)嚅e置了5 min,達(dá)到了放電均衡的效果。
實(shí)驗(yàn)表明,采用分?jǐn)嗑獾姆绞?,避免了單串電池充電過快導(dǎo)致的電池組整體被迫停止充電的情況。而在放電過程中,電池組中最高電壓值與最低電壓值的差值ΔV始終控制在0.1 V內(nèi),有效防止了各電池串電能出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象。
本文針對串聯(lián)鋰電池組電源管理問題,設(shè)計(jì)了對低容量電池分?jǐn)嗟姆绞絹磉M(jìn)行串聯(lián)鋰電池組均衡,無需DC/DC隔離變換電路,避免了轉(zhuǎn)移過程中低壓DC輸出的低效率及其能量損失。同時實(shí)現(xiàn)了直接采用DC電源線兼?zhèn)湫盘杺鬏斁€的通信方法,既達(dá)到充電控制目的,又簡化了結(jié)構(gòu)及操作。整個系統(tǒng)為提高電池組整體使用性能和壽命提供了一種行之有效的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 雷娟,蔣新華,解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電池,2007,37(1):62-63.
[2] MOORE S W,SCHNEIDER A P J.Review of cell equalization methods for lithium-ion and lithium polymer battery systems[R].SAE 2001 World Congress,2001.
[3] Hu Lin,Zhao Menglian,Wu Xiaobo,et al.Cell balancing management for battery pack[C].In:Solid-State and Integrated Circuit Technology(ICSICT),2010 10th IEEE International Conference,2010:339-341.
[4] KIMBALL J W,KREIN P T.Analysis and design of switched capacitor converters[C].In:Applied Power Electronics Conference and Exposition 2005,2005:1473-1477.
[5] BAUGHMAN A,F(xiàn)ERDOWSI M.Analysis of the doubletiered three-battery switched capacitor battery balancing system[C].In:Vehicle Power and Propulsion Conference 2006,2006:1-6.
[6] KUTKUT N H,WIEGMAN L N,DIVAN D M,et al.Charge equalization for an electric vehicle battery system[J].Aerospace and Electronic Systems,IEEE Transactions,1998,34(1):135-246.
[7] JWO W S,CHIEN W L.Design and implementation of a charge equalization using positive/negative pulse charger[C]. In:Industry Applications Conference,2007.42nd IAS Annual Meeting,Conference Record of the 2007 IEEE,2007:1076-1081.
[8] Xu Aiguo,Xie Shaojun,Liu Xiaobao.Dynamic voltage equalization for series-connected ultracapacitors in EV/HEV applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(8):3981-3987.
[9] 李練兵,梁浩,劉炳山.基于單片機(jī)的動力電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010,36(2):70-72.