串聯(lián)鋰離子電池組均衡管理方法研究

馬 艷，韓 佳，呂棟騰

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著電動(dòng)車和便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)于電池技術(shù)的研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注和重視，電池技術(shù)也在近年來不斷地的更新?lián)Q代。鋰離子電池由于其能量密度高、自放電小、無記憶效應(yīng)、使用壽命長(zhǎng)及單節(jié)電池電壓高等許多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，迅速成為市場(chǎng)上的主流電池產(chǎn)品。

對(duì)于較大功率的電器而言，單節(jié)電池的容量是有限的，不能保證用電器長(zhǎng)時(shí)間工作，而串聯(lián)鋰離子電池組可以提供較高的電壓、較大的電池容量。但是在實(shí)際使用時(shí)，鋰離子電池組各單體電池之間存在差異性，在電池組充放電過程中，這種差異性會(huì)使個(gè)別單體電池由于過充或者過放而損壞，從而導(dǎo)致整個(gè)電池組損壞，降低電池組的使用壽命，因此在充放電時(shí)對(duì)鋰電池組中的單體電池進(jìn)行能量均衡是十分必重要的[1]。

為解決串聯(lián)鋰離子電池組在充放電時(shí)的均衡問題，提高電池組的性能和使用壽命，本文綜合前人的研究成果[2]，提出了一種改進(jìn)型的串聯(lián)鋰離子電池組充放電均衡管理方案。該方案直接采用DC/DC開關(guān)電源，在充放電過程中根據(jù)檢測(cè)到的各單體電池的狀態(tài)（電壓值、電流值等），運(yùn)用智能化算法判斷出需要均衡的單節(jié)電池，對(duì)該節(jié)電池進(jìn)行額外的均衡充放電，實(shí)現(xiàn)電池間能量的轉(zhuǎn)移。

1 整體設(shè)計(jì)思路

圖1為串聯(lián)鋰離子電池組均衡管理整體設(shè)計(jì)框圖。

（1）中央控制器采用TMS320F2812，滿足系統(tǒng)接收、處理大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)算法運(yùn)算和對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

（2）電池監(jiān)測(cè)：采用精工S-8254A芯片，可測(cè)量4個(gè)串聯(lián)鋰離子電池電壓，電流傳感器采用霍爾傳感器CSCA0075A000-U12J-001，電壓傳感器采用霍爾電壓傳感器CLSM-10MA，ATmega32為MCU構(gòu)成監(jiān)測(cè)模塊。設(shè)計(jì)出電池組過壓、欠壓、過流、短路、過溫、低溫保護(hù)電路[3]。

圖1 串聯(lián)鋰離子電池組均衡管理整體設(shè)計(jì)框圖

（3）充電控制：運(yùn)用脈沖恒流恒壓充電方式，保證鋰電池的完美充電曲線。配合ATmega32控制芯片及程序?qū)χ鳌潆娫唇M進(jìn)行充電，遵守低壓電池優(yōu)先充電原則。

（4）放電控制：設(shè)計(jì)的放電回路，配合其他模塊，避免電池過放電的發(fā)生。

（5）均衡管理：直接采用DC/DC開關(guān)電源，在充放電過程中根據(jù)檢測(cè)到的各單體電池的狀態(tài)（電壓值、電流值等），運(yùn)用智能化算法判斷出需要均衡的單節(jié)電池，對(duì)該節(jié)電池進(jìn)行額外的均衡充放電，實(shí)現(xiàn)電池間能量的轉(zhuǎn)移[4]。

2 均衡管理

本文采用改進(jìn)型的Flyback變換器[5]對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡管理。Flyback變換器是一種單管反激式直流變換器，其變壓器實(shí)際上是個(gè)耦合電感，其開關(guān)管為PWM工作[6]。

如圖2所示為四節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組的均衡電路圖，每節(jié)電池兩端都并聯(lián)在一個(gè)Flyback變換器的變壓器的原邊上，變壓器的副邊連在一起再接到整個(gè)電池組的正極上。Flyback變換器構(gòu)成的均衡電路有三種工作狀態(tài)：

（1）充電電路給電池組充電時(shí)，反激變換器中的開關(guān)管斷開，二極管截至，變壓器的原副邊電路中沒有電流，原副邊線圈中都不儲(chǔ)存能量。

圖2 串聯(lián)鋰離子電池組的均衡電路

（2）當(dāng)充電過程中有一個(gè)單體電池出現(xiàn)過充現(xiàn)象，則其所在的反激變換器的開關(guān)管閉合，電池通過原邊電路放電，原邊電流增加，變壓器的副邊線圈此時(shí)存儲(chǔ)能量，而副邊的二極管處于截至工作狀態(tài)，副邊電路中沒有電流。

（3）當(dāng)電池放電達(dá)到電池的額定容量時(shí)，開關(guān)管截至，二極管導(dǎo)通，由于變壓器的副邊都是連接在一起再接到整個(gè)電池組的正極的，所以存儲(chǔ)在變壓器副邊線圈中的能量傳遞給整個(gè)電池組，所有電池以相同的電流充電，得到相同的能量，則過充電池釋放的能量在電池組中是均勻分配的。

3 均衡效果

本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的均衡電路已達(dá)到預(yù)先的均衡效果。實(shí)驗(yàn)使用的電池組是4節(jié)20Ah鋰離子電池串聯(lián)的電池組。表1列出了上述均衡電路對(duì)四節(jié)鋰離子電池的均衡結(jié)果。其中初始和結(jié)束分別代表均衡前后的各項(xiàng)指標(biāo)。VB1～VB4是電池組中每節(jié)單體電池的端電壓，∑VB、Vavg和△VBmax分別代表電池組中所有電池的電壓總和、平均電壓和電池間的最大電壓差。

表1 均衡電路對(duì)四節(jié)串聯(lián)鋰鋰離子電池均衡結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述均衡結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的均衡電路使每節(jié)單體電池的最大電壓差△VBmax由0.114下降到0.012，滿足最初對(duì)于均衡電路的設(shè)計(jì)要求。其中∑VB在初始和結(jié)束時(shí)有略微的下降，因?yàn)榫怆娐犯髟骷谀芰哭D(zhuǎn)移時(shí)有能量損失，此損失不影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

[1]2007年中國(guó)動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)研究報(bào)告[R].中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查研究中心，2007.

[2]蔣新華，馮毅，解晶瑩.鋰離子蓄電池保護(hù)電路發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電源技術(shù)，2004，9.

[3]周亞楠.鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].山東:中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

[4]陳晶晶.串聯(lián)鋰離子電池組均衡電路的研究[D].浙江:浙江大學(xué)，2008.

[5]嚴(yán)仰光.雙向直流變換器[M].江蘇:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[6]王意軍,李朵.實(shí)用串聯(lián)鋰離子電池組均衡電路的比較研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010，8.