串聯(lián)鋰電池組的分斷式均衡與充電控制*

黃朝軍，何志毅

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

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行放電損耗來進行均衡，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)進行充放電切換實現(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)計分斷式均衡的鋰電池組電源管理系統(tǒng)，采用分斷/串接切換的方式實現(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

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單片機作為微處理單元(MCU)。電壓檢測/控制電路定時對鋰電池組進行電壓采樣，并控制分斷/串接切換電路對電池組進行分斷均衡。充電過程中，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，實現(xiàn)安全、高效的充電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計

2.1 分斷/串接切換電路

本設(shè)計采用分斷/串接切換電路對串聯(lián)鋰電池組進行均衡管理。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串鋰電池組分斷/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)的繼電器進行切換，使放電電流從繼電器另一觸點繞過，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-分斷-串接過程，實現(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保護電路防止過充而關(guān)斷充電回路，則將該電池串分斷，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。

圖2 4串鋰電池組分斷/串接切換電路

系統(tǒng)實際工作中，繼電器的觸點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狀態(tài)；而繼電器觸點切換期間，二極管保持正向?qū)?，以保證電流持續(xù)輸出。

2.2 脈沖信號調(diào)制電路

為實現(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。

圖3 脈沖信號調(diào)制電路

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。

圖4 電流脈沖信號解調(diào)電路

2.4 電壓檢測電路

經(jīng)比較，系統(tǒng)采用電阻分壓電路進行電壓檢測[9]。利用STC單片機內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以采集各串鋰電池的電壓。4串鋰電池電壓檢測電路如圖5所示。

圖5 電壓檢測電路

圖 5 中，分壓電阻滿足 R19=2×R20，R21=3×R22，R23=4×R24。 各串電池電壓U1～U4與分壓后電壓值 V1～V4滿足 4個 關(guān) 系 式 ：U1=V1；U2=2×V2-V1；U3=3×V3-2×V2；U4=4×V4-3×V3。在無電池串被分斷的情況下，計算這4個公式即可得出各串電池電壓。當(dāng)某串電池被分斷時，如果仍直接計算，則會導(dǎo)致該串電池電壓計算值為0，這并不符合實際情況。為了解決這一問題，在計算前可先將前一次電壓值暫存，待其他各串電池電壓值計算完畢后，再取出被分斷電池的電壓值即可。

3 軟件設(shè)計

軟件程序設(shè)計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 實驗數(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6 電池組電源模塊主程序流程圖

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，其電壓值先達到了4.20 V，MCU隨即將B2從電池組中分斷出來，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。實驗采用 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達到 0.1 V。此時，MCU控制繼電器分斷 B2，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也分別被分斷閑置了5 min，達到了放電均衡的效果。

實驗表明，采用分斷均衡的方式，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。

圖7 4串鋰電池電源管理系統(tǒng)充放電均衡電壓曲線

本文針對串聯(lián)鋰電池組電源管理問題，設(shè)計了對低容量電池分斷的方式來進行串聯(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。

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