微功耗清潔能源存貯系統

5 無損充電機

鋰離子動力電池無損充電機采用整體串聯恒流、單體并聯恒壓的充電方法，對電池實現無損充電。無損的含意有兩層，一是充電效率接近100%，充電功率基本無損耗，二是充、放電完全依據電池的特性曲線(請參考圖1)，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機免除電池管理系統，僅由簡單的電路實現電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進行均衡充電，同時無易受干擾的復雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡單實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統充電機的十分之一。

整體串聯恒流充電的含義是：對于電池整體，進行串聯充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源。單體并聯恒壓控制的含義是：每個單體電池都直接并聯一個并聯穩壓電路，所有并聯穩壓電路直接串聯，可以理解為，對整體電池進行串聯恒流充電的同時，也對所有串聯的并聯電路進行串聯恒流充電，串聯充電電流是流經電池，還是流經并聯穩壓電路，取決于電池充電時的實時端電壓。并聯穩壓電路的輸出電壓調整為電池充電終止電壓值3.75V，當某個與之并聯的單體電池端電壓充電到此電壓值時，并聯電路啟動，串聯恒流充電電流流經并聯穩壓電路，而不再流經電池，該單體電池充電停止，其他單體電池繼續進行串聯恒流充電，仿佛串聯恒流充電對直接串聯的整體電池和直接串聯的并聯穩壓電路這兩個支路同時進行充電一樣，只不過充電的對象由并聯穩壓電路控制，因而得名單體并聯恒壓控制。上述整體串聯恒流充電、單體并聯恒壓控制的充電方法，具備串聯、并聯充電的所有優點，完全免除了串聯、并聯充電的所有缺點。當充電終了時，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯的并聯穩壓電路的輸出電壓設定值3.75V。鋰離子單體電池之間，本來在容量、內阻、衰減、自放電等性能上存在差異，經過無損充電后，個體之間的這種差異完全消失，當然再也不會發生過充、過熱現象。

圖8是無損充電機充電{5}的原理電路，其中E1=2.5V，E2=2.0V是單體鋰離子電池，V1是直流恒流恒壓電源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個并聯穩壓電路Va和Vb，分別和電池E1、E2并聯。V1通過電阻R1直接對鋰離子電池E1、E2串聯充電，當有一個電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達并聯穩壓電路Va設定的穩壓值時，齊納二極管D1開通，并聯穩壓電路Va啟動，串聯充電電流流經三極管Q2，不再對E1充電，E1的端電壓也不再上升;與此同時，串聯充電電流繼續對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電源V1才斷開，串聯恒流充電終止。

圖8 整體串聯恒流、單體并聯恒壓充電原理電路圖

圖8右邊分別是鋰離子電池E1、E2充電電壓的仿真波形，E1從2.5V開始充電，當其端電壓充到3.75V后，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進入充滿和并聯穩壓狀態，V1繼續對E2充電;E2從2.0V開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和E1的充電曲線重合，因為E2起始充電電壓較低，恒流充電時間較長，較后進入充滿和并聯穩壓狀態。

圖9是無損充電機放電(包括充電)的原理電路，Q5控制充電電源V1的接入和斷開，Q6控制電池組的放電全過程。開關S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個開關電路SW1和SW2，分別和單體電池E1、E2并聯，在放電過程中，E1、E2的端電壓總是大于D3、D5的擊穿電壓，開關S3、S4閉合;同樣道理，開關S2的控制邊(包括D4、R7)和整個電池組并聯，在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開關S2閉合。開關S1的控制邊通過電阻R5和開關S2、S3、S4和整個電池組并聯，于是開關S1也閉合，驅動電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導通，電池組向負載R4放電。

在放電過程中，當電池組中有一個單體電池，例如E1的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關斷，電池組放電終止。當電池組過放、過流或外部短路時，電池組端電壓小于D1的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關斷，電池組停止放電，當過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，于是S1也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續對負載放電。

圖9 無損充電機放電原理電路圖

單體電池E1，連同與之并聯的并聯穩壓電路Va和開關電路SW1，構成一個基本單元，此基本單元可以任意級聯，對任意數目的鋰離子動力單體電池組成的電池組進行充放電。