隨著國際原油價(jià)格飛漲,各種新型能源的研究成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。電能作為動(dòng)力能源已經(jīng)在各種車輛上得到廣泛應(yīng)用。鋰電池以具有較高的能量質(zhì)量比和能量體積比,無記憶效應(yīng),可重復(fù)充電次數(shù)多,使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn)成為動(dòng)力電能的首選。
作為一種新型動(dòng)力技術(shù),鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需求,單體性能的參差不齊并不全緣于電池生產(chǎn)技術(shù)問題,即使每只電池出廠時(shí)電壓,內(nèi)阻完全一致,使用一段時(shí)間以后,也會(huì)產(chǎn)生差異,這使得解決動(dòng)力電池充電技術(shù)問題成為迫切需要解決的技術(shù)問題。本設(shè)計(jì)在充分考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上,采用能耗型部分分流法對動(dòng)力鋰電池充電進(jìn)行均衡管理,改善了電池組充電的不平衡性,提高了工作性能。
1 鋰電池組充電方案選擇
1. 1 單節(jié)鋰電池充電要求
對單節(jié)鋰離子電池的充電要求( GB/ T18287 -2000) 首先是恒流充電,即電流一定,而電池電壓隨著充電過程逐步升高,當(dāng)電池端電壓達(dá)到4. 2 V (4. 1V) ,改恒流充電為恒壓充電,即電壓一定,電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小,當(dāng)減小到10 mA 時(shí),認(rèn)為充電終止,充電曲線如圖1 所示。
圖1 鋰電池充電曲線
1. 2 鋰電池組充電特性
在動(dòng)力電池組中由于各單體電池之間存在不一致性。連續(xù)的充放電循環(huán)導(dǎo)致的差異,將使某些單體電池的容量加速衰減,串聯(lián)電池組的容量是由單體電池的最小容量決定的,因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。造成這種不平衡的主要原因有:
●電池制作過程中,由于工藝等原因,同批次電池的容量、內(nèi)阻等存在差異;
●電池自放電率的不同,經(jīng)長時(shí)間積累,造成電池容量的差異;
●電池使用過程中,使用環(huán)境如溫度、電路板的差異,導(dǎo)致電池容量的不平衡。
1. 3 充電方案選擇
為了減小不平衡性對鋰電池組的影響,在充電過程中,要使用均衡電路。
目前對于鋰電池組進(jìn)行均衡管理的方案主要有2種,能耗型和回饋型。能耗型是指給各個(gè)單體電池提供并聯(lián)支路,將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達(dá)到均衡目的?;仞佇褪侵竿ㄟ^能量轉(zhuǎn)換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或電池組中的某些單體。
理論上,當(dāng)忽略轉(zhuǎn)換效率時(shí),回饋不消耗能量,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。但由于回饋型設(shè)計(jì)控制方法復(fù)雜,制造成本較高,本充電器采用能耗型設(shè)計(jì)。
能耗型按能量回路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上,滿足一定條件時(shí)把單體電池的充電回路斷開,充電電流完全通過旁路電阻。通過機(jī)械觸點(diǎn)或電力電子部件組成的開關(guān)矩陣,動(dòng)態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu)。而分流并不斷開工作回路,而是給每只電池增加一個(gè)旁路電阻,當(dāng)某單體電池高于組內(nèi)其他電池時(shí),將充電電流的全部或一部分導(dǎo)入旁路電阻。從而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)單體電池的均衡充電。 由于動(dòng)力鋰電池組功率較大,在綜合考慮充電效率,熱管理等方面因素之后,我們使用部分分流法為充電器的設(shè)計(jì)方案。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析
2. 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
如圖2 系統(tǒng)框圖所示,工頻交流電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)化為18 V/ 5 A 的直流電輸出給升壓電路,升壓電路根據(jù)CPU 的控制信號(hào)為電池組充電提供一定的充電電流,電壓監(jiān)控電路將電池的實(shí)時(shí)電壓情況反饋給CPU ,CPU 通過升壓電路實(shí)現(xiàn)對電池組整體充電電壓、電流的控制。通過均衡電路實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池充電速率調(diào)整,以保證整個(gè)電池組充電的一致性。
圖2 系統(tǒng)整體框圖
2. 2 升壓電路
電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)由開關(guān)電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關(guān)電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/ 5 A 直流電輸出。由于當(dāng)前開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,在此就不再贅述。
升壓電路的作用是將開關(guān)電源輸出的直流電調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為電池組充電所要求的電壓、電流,并能夠根據(jù)充電狀態(tài)對輸出電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
其中R1 、R2 、Q1 構(gòu)成電源反接保護(hù)電路,Q5 是整個(gè)升壓電路的開關(guān),Q2 、Q4 、U1 構(gòu)成場效應(yīng)管Q3 驅(qū)動(dòng)級(jí)電路,Q3 、L1 、D1 、C4 、C5 構(gòu)成BOOST 升壓調(diào)節(jié)電路,R9 、R10 、C6 為電壓采樣電路。
在充電器正常工作時(shí),開關(guān)電源的正負(fù)極輸出分別接到DC+ ,DC- ,開關(guān)管Q5 關(guān)斷。CPU 根據(jù)電池監(jiān)控電路反饋的電壓計(jì)算出的PWM 占空比,輸出相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。PWM 調(diào)制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)級(jí)放大調(diào)整,控制Q3 開關(guān)狀態(tài),以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。
由于穩(wěn)態(tài)條件下,電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零??傻茫?/p>
其中,UL 為電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值;U0 為輸出電壓;Ui 為輸入電壓;T 為開關(guān)周期;ton為Q3 處于通態(tài)的時(shí)間;toff 為Q3 處于斷態(tài)的時(shí)間。令UL = 0 ,在電感電流連續(xù)的工作過程中有:
其中
因此只需要調(diào)節(jié)PWM 輸出的占空比,就能有效地控制電池的充電電壓。
由于單個(gè)鋰電池的電壓過小,為得到更大的工作電壓,一般需要將鋰電池串聯(lián)使用。電池組充電過程中,需要對每個(gè)電池的電壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,以保證每個(gè)電池工作在正常工作狀態(tài)下,避免發(fā)生過充現(xiàn)象,損壞鋰電池。
串聯(lián)鋰電池電池組中,各個(gè)鋰電池的基準(zhǔn)電平不同。假設(shè)電池組中的電池電壓分別為a1 , a2 , ?,則對地第一節(jié)電池電壓為a1 , 第二節(jié)電池電壓為a1 + a2 , 以此類推。
在電壓監(jiān)控中我們需要對各個(gè)電池的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行比較,就必須設(shè)計(jì)一定的電路,將各個(gè)電池的電壓轉(zhuǎn)化到同一基準(zhǔn)上。采取光耦隔離取樣的方法可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化,考慮到線性光耦價(jià)格是普通光耦的10 倍以上,出于工程中成本控制需要,將普通光耦線性化連接以實(shí)現(xiàn)電壓的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
在如圖4 所示的單體電池電壓監(jiān)控電路中,使用了同一型號(hào)同一批次的兩個(gè)普通光耦器件和兩個(gè)運(yùn)算放大器。兩個(gè)光耦中,一個(gè)用于輸出,另外一個(gè)用于反饋。反饋用來補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性上的非線性。
2. 4 部分分流控制電路
如圖5 分流控制電路所示,充電過程中,當(dāng)某一單體電壓明顯高于組內(nèi)其他電池時(shí),CPU 將控制端口拉高,則Q1 導(dǎo)通,Q2 基極電位被拉低,Q2 導(dǎo)通,部分電能從旁路電阻R4 分流,降低該電池充電速率,從而實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池充電速率同步。
其中Iequ 為旁路電阻R4 上所流過的電流,即均衡電流;P 為旁路電阻R4 上所消耗的功率;Ubat 為電池兩端電壓。
均衡電流大小的選擇會(huì)直接影響充電器的性能。
電流大,充電器整體發(fā)熱量大,工作穩(wěn)定性差。電流小,電壓調(diào)整幅度小,速率可調(diào)整幅度小。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),當(dāng)Iequ≈0. 1 Icharge 時(shí),調(diào)整能力和發(fā)熱量達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。
由于充電時(shí)Ubat 的范圍為3~4 V ,該充電電池標(biāo)稱容量為2 000 mAh ,最大充電電流為2 A. 綜合上面因素,R4 選擇將兩個(gè)47 Ω 電阻并聯(lián)。
3 結(jié)束語
由于單體鋰電池在制造工藝、工作環(huán)境等方面的差別,會(huì)造成鋰電池組串聯(lián)充電的不平衡性。運(yùn)用部分分流法設(shè)計(jì)的能耗型鋰電池組均衡充電器,良好地解決了電池組充電的不平衡問題。有效地防止過充現(xiàn)象,提高了鋰電池使用的安全性,增加了電池組的充電容量,延長了鋰電池組的使用壽命。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),選擇最適參數(shù),控制了發(fā)熱量,保證了充電器的長期穩(wěn)定工作。在設(shè)計(jì)過程中,充分考慮了實(shí)際生產(chǎn)的需求。在保證實(shí)用性和可靠性的前提下,簡化設(shè)計(jì),選擇常用器件,提高了性價(jià)比,具有良好的應(yīng)用前景。