動力鋰電池組充電管理電路設計方案

摘要： 為了解決動力鋰電池組使用中的一致性問題，本文提出了一種均衡充電管理電路的實現(xiàn)方案。首先分析了單體鋰電池的特性;然后在比較各種均衡充電理論的基礎(chǔ)上，選擇部分分流法作為設計思路，進行具體電路設計。多次鋰電池組充放電實驗表明，該均衡充電管理電路能有效改善電池組充電的一致性，提高電池組工作性能，延長使用壽命。

隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關(guān)注的焦點。電能作為動力能源已經(jīng)在各種車輛上得到廣泛應用。鋰電池以具有較高的能量質(zhì)量比和能量體積比，無記憶效應，可重復充電次數(shù)多，使用壽命較長等優(yōu)點成為動力電能的首選。

作為一種新型動力技術(shù)，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需求，單體性能的參差不齊并不全緣于電池生產(chǎn)技術(shù)問題，即使每只電池出廠時電壓，內(nèi)阻完全一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，這使得解決動力電池充電技術(shù)問題成為迫切需要解決的技術(shù)問題。本設計在充分考慮工業(yè)成本控制和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，采用能耗型部分分流法對動力鋰電池充電進行均衡管理，改善了電池組充電的不平衡性，提高了工作性能。

1 鋰電池組充電方案選擇

1. 1 單節(jié)鋰電池充電要求

對單節(jié)鋰離子電池的充電要求( GB/ T18287 -2000) 首先是恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4. 2 V (4. 1V) ,改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當減小到10 mA 時，認為充電終止，充電曲線如圖1 所示。

圖1 鋰電池充電曲線

1. 2 鋰電池組充電特性

在動力電池組中由于各單體電池之間存在不一致性。連續(xù)的充放電循環(huán)導致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯(lián)電池組的容量是由單體電池的最小容量決定的，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。造成這種不平衡的主要原因有：

●電池制作過程中，由于工藝等原因，同批次電池的容量、內(nèi)阻等存在差異;

●電池自放電率的不同，經(jīng)長時間積累，造成電池容量的差異;

●電池使用過程中，使用環(huán)境如溫度、電路板的差異，導致電池容量的不平衡。

1. 3 充電方案選擇

為了減小不平衡性對鋰電池組的影響，在充電過程中，要使用均衡電路。

目前對于鋰電池組進行均衡管理的方案主要有2種，能耗型和回饋型。能耗型是指給各個單體電池提供并聯(lián)支路，將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達到均衡目的。回饋型是指通過能量轉(zhuǎn)換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或電池組中的某些單體。

理論上，當忽略轉(zhuǎn)換效率時，回饋不消耗能量，可實現(xiàn)動態(tài)均衡。但由于回饋型設計控制方法復雜，制造成本較高，本充電器采用能耗型設計。

能耗型按能量回路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上，滿足一定條件時把單體電池的充電回路斷開，充電電流完全通過旁路電阻。通過機械觸點或電力電子部件組成的開關(guān)矩陣，動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu)。而分流并不斷開工作回路，而是給每只電池增加一個旁路電阻，當某單體電池高于組內(nèi)其他電池時，將充電電流的全部或一部分導入旁路電阻。從而實現(xiàn)對各個單體電池的均衡充電。 由于動力鋰電池組功率較大，在綜合考慮充電效率，熱管理等方面因素之后，我們使用部分分流法為充電器的設計方案。