動力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計

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)計動力鋰電池組充電管理電路的必要性

雖然大部分電池在出廠時擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動力技術(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。而每個鋰電池經(jīng)過一段時間的使用之后都會產(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)致的就是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。

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。

2 鋰電池組充電方案的選擇

2.1 單節(jié)動力鋰電池充電的方式

單節(jié)動力鋰電池充電的方式分為前后2個階段。第1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2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有不同電壓的上限，一般是3.8～4.2V)。而恒壓階段則以電芯的飽和程度為依據(jù)，而整個充電過程完成的標(biāo)志就是當(dāng)電流減小到10mA時就會停止充電。

2.2 動力鋰電池組的充電方式

雖然大部分電池在出廠時擁有相同的電壓和內(nèi)阻，但是在最新動力技術(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。而每個鋰電池經(jīng)過一段時間的使用之后都會產(chǎn)生不同的單體性能。而這些單體差異的存在將會導(dǎo)致充放電循環(huán)也會產(chǎn)生一定的差異，并且將持續(xù)在整個動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，衰減過快將會導(dǎo)致電池的使用壽命的減少。

鋰電池組的充電不平衡主要由以下幾個方面造成：首先，是制作工藝直接出現(xiàn)問題，同一批次的電池的內(nèi)阻和容量在出廠的時候就直接不同。其次是在使用過程中由于動力鋰電池組的充電管理電路設(shè)計問題導(dǎo)致的電池出現(xiàn)不同的自放電率，從而在使用了一段時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

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，從而實現(xiàn)降低電壓的目的，使其回到正常的水平。回饋型的管理方案主要依靠的是能量轉(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，從而保障各個電池的工作維持在同一水平上。但是回饋型的方案在實際應(yīng)用中存在成本高的問題，因為它忽視了轉(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)換器的工作不會產(chǎn)生能量的消耗，現(xiàn)實使用中是不可能不消耗能量的，而且它的控制方法設(shè)計得比較復(fù)雜，不容易實施，它的成本也是比較高的。

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個不同的類型，即斷流和分流。斷流就是實時監(jiān)測各個單體電池的電壓，一旦出現(xiàn)超標(biāo)的異常，就會自動把其所在的電路斷開，停止充電，充電電流就流向其它電路。這種斷流的方式可以通過開關(guān)矩陣來實現(xiàn)。開關(guān)矩陣可以由機械觸點或者電子部件構(gòu)成，當(dāng)某一單體電池出現(xiàn)異常的時候，它就會改變電路的動態(tài)。分流與斷流不同的是它不會斷開異常電路，而是通過旁路電阻來分流，從而實現(xiàn)各個電池在充電時的均衡性。鋰電池有功率大的特點，分流更具有優(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)計方案

3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主要以CPU控制信號為依據(jù)進(jìn)行控制，電壓監(jiān)控電路中電池的實時電壓，并向CPU進(jìn)行反饋。在打開電源開關(guān)時，工頻交流電將會轉(zhuǎn)化成電池組額定電壓/電池組額定充電電流直流電，輸出到升壓電路中，通過升壓電路以及信息反饋實現(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)整每個單體電池的充電速率，達(dá)到整個電池組充電一致的目的。

3.2 設(shè)計電壓監(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)多個鋰電池的方式就能很好地滿足工作的需要。同時在進(jìn)行工作的過程中，要做到對每一個電池都進(jìn)行監(jiān)控，這是保證電池壽命不會為了過充而損壞的關(guān)鍵。

3.3 設(shè)計分流控制電路

在充電的過程中也要做好分流控制設(shè)計。因為電池組中有些電池在充電時會有較大的電壓差異，這就導(dǎo)致會有不同步的充電速率而發(fā)生損壞。因此，通過設(shè)計用CPU拉高控制端口的操作就可以實現(xiàn)這種分流電能的效果。

4 結(jié)語

鋰電池相比較其它的電池具有可多次充放電、對環(huán)境友好等眾多的突出優(yōu)點。本文在分析了單個電池與電池組的充電方式后，提出相關(guān)的具體設(shè)計，通過這些設(shè)計解決動力鋰電池在實際應(yīng)用中的問題，以此希望助推動力鋰電池組的發(fā)展。