礦用鋰離子動力電池安全性智能充電關(guān)鍵技術(shù)研究

孫曉磊，張全柱，鄧永紅，馬紅梅

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

不同于以往的鋰離子電池，鋰離子動力電池是指總?cè)萘吭?Ah以上的鋰離子電池組，為了能夠提供較大的容量和電壓，通常在實際使用中，將多塊鋰離子電池單體并連和串聯(lián)起來，以滿足設(shè)備對電池容量和電壓的要求。目前，動力鋰離子電池在移動式救生艙，避難硐室，礦用電機車和除塵車等場所和裝備中的應(yīng)用已進入實質(zhì)性研究階段。但由于鋰離子動力電池在使用過程中存在一定的危險性，嚴(yán)重制約了其在國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。在國家“863”電動汽車重大專項和市場的推動下，鋰離子電池動力化在綠色電動車動力電源中的研究已初露鋒芒，但由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和安全的充電和BMS技術(shù)，其在煤礦電機車等礦用設(shè)備動力電源中的應(yīng)用還幾乎是空白。目前煤礦生產(chǎn)中最常用的動力源主要鉛酸蓄電池組，而鉛酸蓄電池具有容量小，壽命短，不利于環(huán)保等明顯的缺點，若其能被鋰離子動力電池所取代，這將會大大節(jié)約生產(chǎn)成本，改善煤礦的生產(chǎn)環(huán)境。鋰離子動力電池在使用過程中要進行不斷的循環(huán)充電，那么研究一款適用安全的充電方案，對動力鋰離子電池在煤礦安全生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用具有極其重要的意義。筆者在結(jié)合動力鋰離子電池安全性特點和前人的基礎(chǔ)上，提出了一款安全可靠的鋰離子動力電池智能充電機設(shè)計方案。

1 動力鋰離子電池充電過程中的安全注意事項

鋰離子電池在充放電過程對于電壓、電流和溫度有著苛刻的要求，在充電過程中要對其進行嚴(yán)格的控制。其中應(yīng)注意的主要事項有:

1)對鋰離子電池過充超過其允許值，會損壞正負(fù)極板，使電池出現(xiàn)膨脹等現(xiàn)象，如電池有裂紋，會出現(xiàn)漏液甚至爆炸的危險。

2)要給鋰離子電池進行快速充電，就需要用大電流，但過大的充電電流會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱過快，熱量無法及時排除，降低鋰離子電池壽命或損壞電池甚至發(fā)生爆炸。

3)充電電壓和充電電流要控制在合適的點，充電速度過快或充電電壓控制點不當(dāng)都會造成電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)而使電池容量不足，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加這種容量不足的現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重，影響鋰離子電池的性能。

4)動力鋰離子電池一般由多組電池串并聯(lián)在一起以提高電池的供電電壓和電池容量，但是由于每塊單體鋰離子電池的個體差異性，會使這些電池組在充電過程中表現(xiàn)出電壓離散型特點，造成單體間的電壓不均，在控制電池組電壓不過壓的同時，要同時保證每塊單體電池電壓不過壓。

5)在充電過程中一定要嚴(yán)防電池短路和溫度過高的情況發(fā)生。

2 鋰離子電池充電過程分析

鋰離子電池的充電過程分為兩個階段:恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段中，電池電壓不斷升高，當(dāng)電池組電壓達到設(shè)定電壓時，立即轉(zhuǎn)入恒壓階段，電流則隨著電池電量的上升以一定的規(guī)律逐步減弱到設(shè)定的值而最終完成充電。對于第一次充電的電池，時間應(yīng)盡可能長(一般在3～4個小時)，使電極氧化盡可能完全，這種初充電模式要每隔一段時間進行一次，以達到電池最大容量的釋放(只需控制好恒流時間即可完成初充電)。

本實驗選取8串SE60AHA型電池組配置方案(單體標(biāo)稱電壓3.2V)為實驗對象，先以恒流模式(≤1CA)進行快速充電，使電池達到標(biāo)稱電壓后以恒壓24V(上下浮動在50mV以內(nèi))進行緩充電，電池充足電時，停止充電，或根據(jù)具體情況需要進入涓流充電模式。這種先恒流再恒壓，大約需要兩個小時可以將電池充滿。

3 充電機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能特點

如圖2所示，該智能充電機主要由四部分組成:AC/DC主電路部分，DSP控制部分、輸出采樣部分和鋰離子電池組管理部分。其主要功能實現(xiàn):輸入礦用電壓 AC 380V/50Hz或 AC660V/50Hz三相電壓，在DSP的閉環(huán)控制和保護作用下經(jīng)過兩次AC/DC變換和濾波得到給定的充電電壓和電流，在BMS芯片MAX11068的管理下給鋰離子電池組塊進行均衡性安全充電。其中本方案的研究重點集中在:IGBT逆變控制技術(shù)，輸出恒流恒壓雙閉環(huán)控制技術(shù)和BMS技術(shù)。

3.1 IGBT逆變控制關(guān)鍵技術(shù)及實驗波形輸出

充電機輸出端恒流或恒壓閉環(huán)控制操作的實現(xiàn)，主要通過對IGBT PWM脈沖信號的控制來完成，該PWM信號由芯片UCC3895產(chǎn)生。在理論推導(dǎo)和實驗驗證的基礎(chǔ)上，筆者對該芯片的參數(shù)進行了驗證和優(yōu)化。

如圖3所示，UCC3895采用平均電流控制模式。平均電流模式由于具有噪聲抑制能力強，無斜坡補償?shù)葍?yōu)點廣泛應(yīng)用在PWM控制電路中。誤差放大器同相端輸入信號控制電壓信號V+，反向端輸入信號為末端采集的電感電流信號V－。誤差放大器輸出平均電流跟蹤誤差信號UEOUT，該信號與RAMP端鋸齒波信號進行比較，得到PWM關(guān)斷時刻，作為IGBT的控制驅(qū)動信號。CS端為過流保護端，其關(guān)斷電壓為2.5V(其保護電流上限可以硬件設(shè)定)，輸入信號為檢測到的電感電流信號ic。當(dāng)發(fā)生過流或短路故障時，可以立即關(guān)閉PWM輸出，在對鋰離子動力電池進行充電時，可以很好地保護電池和充電機免受過流損壞。SS端通過電容接地可以實現(xiàn)軟啟動功能。實驗輸出波形如圖4所示。

圖2 動力鋰離子電池智能充電器主電路拓?fù)鋱D

圖3 UCC3895驅(qū)動IGBT拓?fù)鋱D

UC3895參數(shù)設(shè)定:

fout為四路輸出頻率，fin為芯片內(nèi)部時鐘頻率。要想得到20kHz的輸出頻率，那么fin=40kHz。由芯片內(nèi)部時鐘周期

可以計算出R5=30kΩ，C5=100pF。

DELAB和DELCD兩端電壓滿足:

其中VCS－VADS大小范圍為0v～2.5v.VDEL大小范圍為0.5v～2.375v.輸出端電流大小需滿足

2)延時時間設(shè)定:

選取 RCS=RADS=109kΩ，RCS=200kΩ，RADS=100kΩ ，此時滿足IDEL=0.016mA＜1mA.死區(qū)時間tDELAY范圍為:1.15us～5.45us.

圖4 OUTA和OUTB輸出波形，tDELAY=4us

3.2 電流電壓雙閉環(huán)控制

充電機輸出控制環(huán)節(jié)采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制模式，其輸出曲線可以很好地擬合鋰離子電池的充電曲線(誤差最大為±50mV)對于延長電池壽命，提高電池工作效率起到很大作用。其中電流內(nèi)環(huán)由軟件設(shè)定，電壓外環(huán)由UCC3895外圍電路完成，如圖3所示硬件PI調(diào)制環(huán)節(jié)。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

充電初期以恒流模式輸出，K1關(guān)斷，K2閉合到b端，UCC3895內(nèi)部誤差比較器連接成跟隨器，進入電流閉環(huán)控制模式，電流閉環(huán)PI控制環(huán)節(jié)中Kp、KI由軟件設(shè)定，其輸入與輸出關(guān)系:

在恒流模式下，隨著充電過程的進行，蓄電池電壓會不斷上升，那么在電流閉環(huán)的控制作用下，為保持恒流，充電器輸出電壓也會不斷上升，并始終保持一定壓差。當(dāng)充電器輸出電壓升到參考值U1時立即轉(zhuǎn)入電壓閉環(huán)控制以恒壓模式輸出，這是K1開通，K2閉合到a端。此時輸入輸出關(guān)系:

在恒壓模式下，隨著壓差不斷減小，輸出電流也以一定規(guī)律不斷減小，當(dāng)電流減小到0時，電池充滿電，停止充電或以涓流模式繼續(xù)充電。

3.4 鋰離子動力電池組BMS

由于目前國內(nèi)已經(jīng)研制的大多數(shù)鋰離子電池組BMS控制策略復(fù)雜，體積大，成本高，不適宜在煤礦生產(chǎn)中大量推廣，筆者設(shè)計的充電機方案中采用了一款新型的鋰離子動力電池組管理芯片MAX11068，可在鋰離子動力電池組充電和工作時很好完成溫度檢測和過壓欠壓報警，主動式電壓均衡等操作。MAX11068是一款高度集成，耐高壓，低功耗，高精度并可同時對12組串聯(lián)鋰離子電池單體進行主動式均衡、檢測和報警操作的電池管理芯片。高度集成的電池檢測器結(jié)合了簡捷的狀態(tài)機和高速I2C總線，支持SMBus串行鏈路通信，在工作時可以通過單片機對該芯片進行實時控制，設(shè)置報警電壓，溫度等參數(shù)，并可以將采集到的電池信息或報警信息實時地傳送給單片機。該芯片的使用可以大大減小在對礦用鋰離子動力電池充電池時的電池管理成本，而且在工作時可以實時檢測每組電池單體，對發(fā)生欠壓，過壓，過溫等異常現(xiàn)象的單體電池，進行準(zhǔn)確迅速的主動式均衡或報警，同時和單片機或計算機進行實時通信，可以將數(shù)據(jù)存儲起來對電池壽命，安全性等進行分析和評估。

圖6 MAX11068管理拓?fù)鋱D

4 結(jié)束語

這里設(shè)計的礦用鋰離子動力電池充電機的主要設(shè)計機構(gòu)，能夠利用 AC380V 50Hz/AC660V 50Hz電壓給動力鋰離子電池進行安全性快速充電。電壓變換部分采用通流能力大，開關(guān)速度快，穩(wěn)定性好的IGBT絕緣雙柵極晶體管對電壓進行逆變變換，其PWM控制脈沖信號由UCC3895產(chǎn)生，該芯片具有良好的過流保護和軟啟動功能，在充電的過程能很好的保護電路，并通過電流電壓雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)恒流恒壓功能。鋰離子動力電池的管理部分采用MAXIM公司最新的動力鋰離子電池管理芯片MAX11068，大大的節(jié)約了成本，提高了鋰離子動力電池使用時的安全性。實驗表明該充電機可以很好實現(xiàn)給礦用動力鋰離子電池的安全高效充電，對于鋰離子電池動力電池在煤礦生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用具有重要意義。筆者針對動力鋰離子電池充電所存在的問題和要求著重對該型智能充電機在電流、電壓控制和電池管理系統(tǒng)方面進行研究，提出一種合理、安全的礦用動力鋰離子電池充電方案。

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