動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)問題

羅鋒華

(江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095)

1 設(shè)計(jì)動(dòng)力鋰電池組充電管理電路的必要性

電池組充電不平衡的問題是本文要解決的核心問題，也是設(shè)計(jì)動(dòng)力鋰電池組充電管理電路的目的所在。要實(shí)現(xiàn)充電進(jìn)行均衡管理就必須解決電池組充電不平衡問題，本文使用的主要是能耗型部分分流的方法。雖然大部分電池在出廠時(shí)擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)下，要滿足相應(yīng)電壓的需求也必須串聯(lián)鋰電池。而每個(gè)鋰電池經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后都會(huì)產(chǎn)生不同的單體性能，這就導(dǎo)致了差異性的存在，這種差異的存在直接導(dǎo)致鋰電池的充電不均衡，而這種不均衡需要通過一定的技術(shù)來解決。不然，由于單體差異性的存在，必然導(dǎo)致鋰電池先后充滿的現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力鋰電池組的工作性能和使用壽命，只有解決這一問題才能提高鋰電池的工作性能和使用壽命。本文選擇能耗型部分分流的方法除了能有效地解決此類問題外，更是考慮到工業(yè)成本問題以及動(dòng)力鋰電池組充電的穩(wěn)定性需求進(jìn)行的充電管理電路的設(shè)計(jì)。

2 鋰電池組充電方案的選擇

2.1 單節(jié)動(dòng)力鋰電池充電的方式

單節(jié)動(dòng)力鋰電池充電的方式分為前后2個(gè)階段。第一階段為恒流階段，具體而言就是電流一定，電壓不斷地升高。第二階段為恒壓階段，具體而言就是保障電壓一定，逐漸減小電流。恒流階段向恒壓階段的轉(zhuǎn)換以電池端的電壓到達(dá)了電池系統(tǒng)額定恒流充電的電壓上限為界(不同的鋰電池材料體系會(huì)有不同電壓的上限，一般是3.8V～4.2V)。而恒壓階段則以電芯的飽和程度為依據(jù)，而整個(gè)充電過程完成的標(biāo)志就是當(dāng)電流減小到10mA時(shí)就會(huì)停止充電。

2.2 動(dòng)力鋰電池組的充電方式

上文講過雖然大部分電池在出廠時(shí)擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)下，要滿足相應(yīng)電壓的需求也必須串聯(lián)鋰電池。而每個(gè)鋰電池經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后都會(huì)產(chǎn)生不同的單體性能。而這些單體差異的存在將會(huì)導(dǎo)致充放電循環(huán)也會(huì)產(chǎn)生一定的差異，并且將持續(xù)在整個(gè)動(dòng)力鋰電池組充放電循環(huán)中。如此一來便使得部分單節(jié)鋰電池的容量加速衰減。而串聯(lián)電池組的容量是由最小容量單體電池的電容量直接決定的，因此，衰減過快將會(huì)導(dǎo)致整體的使用壽命的縮短。

鋰電池組的充電不平衡主要由以下幾個(gè)方面造成：首先是制作工藝直接出現(xiàn)問題，同一批次的電池在內(nèi)阻和容量在出廠的時(shí)候就直接不同。其次是在使用過程中由于動(dòng)力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致電池出現(xiàn)不同的自放電率，從而在使用了一段時(shí)間過后電池的容量出現(xiàn)差異性，這是本文要解決的問題。最后，在使用電池的過程中，由于環(huán)境的差異也會(huì)造成電池容量的不平，例如溫度。

2.3 選擇科學(xué)的充電方案

均衡電路可以幫助降低鋰電池在充電過程中因電容不平衡而受到的影響。鋰電池組有2種用得比較多的均勻管理方案，一種是能耗型，另一種是回饋型。能耗型的管理方案是通過并聯(lián)支路來進(jìn)行分流，通過轉(zhuǎn)移掉部分電能來降低單體電池的充電速度，控制其異常的超水平電壓，從而實(shí)現(xiàn)降低電壓的目的，使其回到正常的水平?；仞佇偷墓芾矸桨钢饕揽康氖悄芰哭D(zhuǎn)換器，把單體出現(xiàn)的偏差能量通過能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而保障各個(gè)電池的工作維持在同一水平上。但是回饋型的方案在實(shí)際應(yīng)用中存在成本高的問題，因?yàn)樗鲆暳宿D(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率以及轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中能量消耗的問題，該方案是比較理想型的，它基于轉(zhuǎn)換器的工作不會(huì)產(chǎn)生能量的消耗，現(xiàn)實(shí)使用中是不可能不消耗能量的，而且它的控制方法設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜，不容易實(shí)施，它的成本也是比較高的。綜合考慮之后，本文選擇了前一種方案，即能耗型。

能耗型管理方案可以按照能量回路的不同處理方式分為2個(gè)不同的類型，即斷流和分流。斷流就是實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)單體電池的電壓，一旦出現(xiàn)超標(biāo)的異常，就會(huì)自動(dòng)把其所在的電路斷開，停止充電，充電電流就流向其他電路，這種斷流的方式可以通過開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)，開關(guān)矩陣可以由機(jī)械觸點(diǎn)或者電子部件構(gòu)成，當(dāng)某一單體電池出現(xiàn)異常的時(shí)候，它就會(huì)改變電路的動(dòng)態(tài)。分流與斷流不同的是它不會(huì)斷開異常電路，而是通過旁路電阻來分流，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池在充電時(shí)的均衡性。鋰電池有功率大的特點(diǎn)，后者比分流法更具有優(yōu)勢，不僅僅可以進(jìn)行更好地?zé)峁芾?，還能提高充電效率。

3 充電管理電路具體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要以CPU控制信號(hào)為依據(jù)進(jìn)行控制，電壓監(jiān)控電路中電池的實(shí)時(shí)電壓，并向CPU進(jìn)行反饋。在打開電源開關(guān)時(shí)，工頻交流電將會(huì)轉(zhuǎn)化成電池組額定電壓/電池組額定充電電流直流電，輸出到向升壓電路中，通過升壓電路以及信息反饋實(shí)現(xiàn)CPU對電池組的整體充電電流和電壓的控制，科學(xué)地調(diào)整每個(gè)單體電池的充電速率，到達(dá)整個(gè)電池組充電一致的目的。

3.2 設(shè)計(jì)電壓監(jiān)控環(huán)節(jié)

要組成鋰電池組，就一定要以合理的方式，采用串聯(lián)多個(gè)鋰電池的方式就能很好地滿足工作的需要。同時(shí)在進(jìn)行工作的過程中，要做到對每一個(gè)電池都進(jìn)行監(jiān)控，這是保證電池壽命，不會(huì)為了過充而損壞的關(guān)鍵。

3.3 設(shè)計(jì)分流控制電路

在充電的過程中也要做好分流控制設(shè)計(jì)。因?yàn)殡姵亟M中有些電池在充電時(shí)會(huì)有較大的電壓差異，這就導(dǎo)致會(huì)有不同步的充電速率而發(fā)生損壞。因此通過設(shè)計(jì)用CPU拉高控制端口的操作就可以實(shí)現(xiàn)這種分流電能的效果。

4 結(jié)語

鋰電池相比較眾多其他的電池具有諸多的突出優(yōu)點(diǎn)，像可多次充放電，對環(huán)境友好等等，都使得人們對它越來越重視。因此在發(fā)展動(dòng)力鋰電池組中，設(shè)計(jì)充電管理電路就是一種重要的操作。本文在深刻分析了單個(gè)電池與電池組的充電方式后，提出相關(guān)的具體設(shè)計(jì)，通過這些設(shè)計(jì)解決動(dòng)力鋰電池在實(shí)際應(yīng)用中的問題，并加以改善，以此希望對動(dòng)力鋰電池組的發(fā)展提供推動(dòng)力。