一種基于電荷正反傳輸原理的鋰電池充電均衡方案

文/王曉燕

隨著綠色環(huán)保能源普及速度加快，鋰電池作為移動(dòng)設(shè)備的主要供電電源，越來(lái)越被人們所關(guān)注。由于其單節(jié)容量小的特點(diǎn)，在大功率場(chǎng)合中，只能將多節(jié)可充電電池串聯(lián)組成電池組來(lái)提高電池組的容量和功率。但由于制作工藝的偏差，單體電池容量不會(huì)完全一致，即使在充電時(shí)電池組流過(guò)相同電流，容量小的單體電池會(huì)最先充滿，而容量大的單體電池卻未能充滿，如繼續(xù)充電，小容量的單體電池會(huì)因?yàn)檫^(guò)充而造成電池?fù)p壞，而如果停止充電，容量大的單體電池會(huì)因?yàn)槲闯錆M而造成電池組的容量變低，電池組的使用效率低下；同理，電池組放電時(shí)，小容量單體電池最先放完，而大容量單體電池卻未能放完，此時(shí)如繼續(xù)放電，小容量電池會(huì)因?yàn)檫^(guò)放而造成電池?fù)p壞，如停止放電，大容量電池會(huì)因?yàn)槲捶磐甓斐呻姵亟M使用效率變低。

研究電池均衡管理的目的，是防止電池組因過(guò)充或過(guò)放造成的電池組損壞，以提高電池組的壽命。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋰電池均衡研究已經(jīng)形成了很多成果，很多公司和研究機(jī)構(gòu)都致力于將均衡充電系統(tǒng)推向市場(chǎng)；然而大部分均衡充電系統(tǒng)中所用器件過(guò)多，均衡充電電路體積過(guò)大，控制策略復(fù)雜，均衡效果不理想等因素的存在都制約著均衡充電技術(shù)的發(fā)展。

1 均衡方案原理

電池均衡電路主要的功能是可以防止電池的過(guò)充電與過(guò)放電，本方案的主要電路拓?fù)涫腔陔娙菽芰哭D(zhuǎn)移法的原理。下面講解充電方案原理。

圖1：電池均衡原理圖

圖2：正向能量傳輸電路結(jié)構(gòu)圖

圖3：反向能量傳輸電路結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，正常情況下K0導(dǎo)通，當(dāng)電路充電時(shí)，電流由電池組正極（BAT+）經(jīng)n-1節(jié)電池流過(guò)K0流經(jīng)電阻R1到達(dá)電池組負(fù)極（BAT-）。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片B如檢測(cè)到正電壓值，電路將判定為此時(shí)為電池組充電狀態(tài)。K1～Kn開(kāi)關(guān)分別與每個(gè)電池的正負(fù)極相連，控制電路將控制相鄰開(kāi)關(guān)輪流開(kāi)通，電路只接通一只電池到總線上，總線上的電壓方向隨著開(kāi)關(guān)的組合不同而不同，所以需要換相。此時(shí)KX與KY開(kāi)路，其余開(kāi)關(guān)KA～KD通斷情況跟隨接入總線電池的改變而改變，以3#電池為例。當(dāng)3#接入總線時(shí)，電流由3#正極出發(fā)，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)K3、Ka及電感到達(dá)電容正極，電容負(fù)極經(jīng)KD和K4回到BT2負(fù)極，電容C1由3#電池為其充電。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，C1電壓與3#電池電壓相等，此時(shí)斷開(kāi)與電池連接的開(kāi)關(guān)K3、Ka、Kd及K4。接通Ky，此時(shí)可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片A進(jìn)行C1上的電壓檢測(cè)，所測(cè)電壓即為剛才所接通3#電池的電壓，這樣分別通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)組合，從而對(duì)電池組中的每節(jié)電池電壓進(jìn)行輪流測(cè)量。當(dāng)電池的充電電壓達(dá)到4V以上時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作，將所測(cè)電壓最高的電池能量轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池上，此時(shí)的K1～Kn開(kāi)關(guān)將只在能量傳遞的兩節(jié)電池上輪流開(kāi)通，當(dāng)電容接高電壓電池時(shí)，C1上初始電壓很低，而電池電壓較高，直接連通會(huì)有比較大的損耗，所以電路組成一個(gè)正向能量傳輸電路（如圖2所示）。電路由KA或KC與KX一起組成，KA或KC為主開(kāi)關(guān)管，KX為續(xù)流管，直到C1上的電壓與電池電壓相等時(shí)，充電完成，此時(shí)，需要將電容內(nèi)的能量傳遞給電池電壓低的電池，電路組成一個(gè)反向能量傳輸電路（如圖3所示），K1～Kn開(kāi)關(guān)連通電壓低的電池，電路由KA或KC與KX一起組成，KX為主開(kāi)關(guān)管，KA或KC為續(xù)流管，將C1內(nèi)的電壓進(jìn)行升壓傳遞給低電壓電池，當(dāng)C1內(nèi)的電壓過(guò)低時(shí)（<2V），又將電容接到電壓高的電池上進(jìn)行充電，直到所有的電池電壓基本一致，當(dāng)最高電壓電池電壓達(dá)到4.25V時(shí)，電池組不能再充電了，K0斷開(kāi)，充電均衡完成，均衡電路進(jìn)入等待模式，電路必須要很小的耗電。

2 正反向能量傳輸電路工作原理

2.1 正向能量傳輸電路工作過(guò)程

正向能量傳輸電路為降壓型電路，由電感、電容和二極管等元器件構(gòu)成。它是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷，將輸入電壓變成穩(wěn)定的輸出電壓的一種電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中ui為輸入電壓，K3、K4、KA和KB為開(kāi)關(guān)管，L1是電感，C1是輸出濾波電容，uo是輸出電壓。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K3、K4、KA和KB導(dǎo)通時(shí)，KX斷開(kāi)，電流經(jīng)過(guò)電感L1和電容C1構(gòu)成回路。電感L1充磁，電容C1充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)K3、K4、KA和KB斷開(kāi)時(shí)，KX接通，儲(chǔ)能電感L1通過(guò)KX放電，電感電流減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的L1電流來(lái)維持。

圖4：正向能量傳輸電路仿真圖

圖5：反向能量傳輸電路仿真圖

2.2 反向能量傳輸電路工作過(guò)程

反向能量傳輸電路為升壓電路，由電感、電容和二極管等元器件構(gòu)成，它可以使得輸出電壓高于輸入電壓。

當(dāng)開(kāi)關(guān)K3、K4、KA和KB斷開(kāi)時(shí)，KX接通，電感處于充電狀態(tài)，隨著電感電流的增加，電感儲(chǔ)存了一些能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)KX斷開(kāi)時(shí)，K3、K4、KA和KB接通，電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，最終高于輸入電壓。

3 均衡電路仿真結(jié)果

以電量由高電荷的3號(hào)電池向低電荷的2號(hào)電池轉(zhuǎn)移過(guò)程為例，進(jìn)行均衡電路的仿真。假設(shè)測(cè)得3號(hào)電池電量為4.2V，2號(hào)電池電量為3.8V 。為了便于仿真，電池用1000uF的電容代替，電容C1取值100uF。

首先進(jìn)行正向能量傳輸，3號(hào)電池將部分電荷轉(zhuǎn)移到C1電容上，仿真圖如圖4。

中綠色為C1電容兩端的電壓，紅色為3號(hào)電池的電壓，藍(lán)色為電感L1的電流。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)三次開(kāi)關(guān)后C1的電壓由2V上升到2.3837V，而3號(hào)電池的電壓由4.2V降低為4.1716V。

接下來(lái)進(jìn)行反向能量傳輸，電荷由C1向2號(hào)電池的轉(zhuǎn)移，仿真圖如圖5。

其中綠色為2號(hào)電池的電壓，紅色為電容兩端的電壓，藍(lán)色為電感L1的電流。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)三次開(kāi)關(guān)后C1的電壓由2.3V降低為2.0254V，而2號(hào)電池的電壓由3.8V上升到 3.8131V。

通過(guò)以上仿真可知，當(dāng)電池電量不均衡時(shí)，采用均衡電路通過(guò)正向反向能量傳輸工作，可以很好地實(shí)現(xiàn)電量從高電荷電池到低電荷電池的傳送，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的電量均衡。