基于鋰電池組均衡充電管理電源電路設計

由于穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零?？傻茫?/p>

其中，UL 為電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值;U0 為輸出電壓;Ui 為輸入電壓;T 為開關(guān)周期;ton為Q3 處于通態(tài)的時間;toff 為Q3 處于斷態(tài)的時間。令UL = 0 ，在電感電流連續(xù)的工作過程中有：

其中

因此只需要調(diào)節(jié)PWM 輸出的占空比，就能有效地控制電池的充電電壓。

由于單個鋰電池的電壓過小，為得到更大的工作電壓，一般需要將鋰電池串聯(lián)使用。電池組充電過程中，需要對每個電池的電壓情況進行實時監(jiān)控，以保證每個電池工作在正常工作狀態(tài)下，避免發(fā)生過充現(xiàn)象，損壞鋰電池。

串聯(lián)鋰電池電池組中，各個鋰電池的基準電平不同。假設電池組中的電池電壓分別為a1 ， a2 ， ?，則對地第一節(jié)電池電壓為a1 ， 第二節(jié)電池電壓為a1 + a2 ， 以此類推。

在電壓監(jiān)控中我們需要對各個電池的實時電壓進行比較，就必須設計一定的電路，將各個電池的電壓轉(zhuǎn)化到同一基準上。采取光耦隔離取樣的方法可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化，考慮到線性光耦價格是普通光耦的10 倍以上，出于工程中成本控制需要，將普通光耦線性化連接以實現(xiàn)電壓的采集和實時監(jiān)控。

圖4 電壓監(jiān)控電路

在如圖4 所示的單體電池電壓監(jiān)控電路中，使用了同一型號同一批次的兩個普通光耦器件和兩個運算放大器。兩個光耦中，一個用于輸出，另外一個用于反饋。反饋用來補償發(fā)光二極管時間、溫度特性上的非線性。

在圖4 中：

其中： K1 ， K2 為電路中光耦U1 ，U2 的電流傳輸比。

由電路可知：

其中V bat 為電池兩端電壓。由于選用同一型號同一批次的光耦，所以電流傳輸比近似相等，即K1 = K2 。

所以，有：

從式(5) 可知，該測量電路的電壓增益只與電阻R1 ，R2 的阻值有關(guān)，與光耦的電流傳輸參數(shù)等無關(guān)，從而實現(xiàn)了對電壓信號的線性隔離。經(jīng)如圖所示電路轉(zhuǎn)化后電池電壓被轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一參考地的輸出電壓Vout 。

4、部分分流控制電路

如圖5 分流控制電路所示，充電過程中，當某一單體電壓明顯高于組內(nèi)其他電池時，CPU 將控制端口拉高，則Q1 導通，Q2 基極電位被拉低，Q2 導通，部分電能從旁路電阻R4 分流，降低該電池充電速率，從而實現(xiàn)電池組各單體電池充電速率同步。

其中

Iequ 為旁路電阻R4 上所流過的電流，即均衡電流;P 為旁路電阻R4 上所消耗的功率;Ubat 為電池兩端電壓。

圖5 分流控制電路

均衡電流大小的選擇會直接影響充電器的性能。

電流大，充電器整體發(fā)熱量大，工作穩(wěn)定性差。電流小，電壓調(diào)整幅度小，速率可調(diào)整幅度小。經(jīng)反復實驗，當Iequ≈0. 1 Icharge 時，調(diào)整能力和發(fā)熱量達到最佳平衡狀態(tài)。

由于充電時Ubat 的范圍為3~4 V ，該充電電池標稱容量為2 000 mAh ，最大充電電流為2 A. 綜合上面因素，R4 選擇將兩個47 Ω 電阻并聯(lián)。

結(jié)束語

由于單體鋰電池在制造工藝、工作環(huán)境等方面的差別，會造成鋰電池組串聯(lián)充電的不平衡性。運用部分分流法設計的能耗型鋰電池組均衡充電器，良好地解決了電池組充電的不平衡問題。有效地防止過充現(xiàn)象，提高了鋰電池使用的安全性，增加了電池組的充電容量，延長了鋰電池組的使用壽命。經(jīng)過反復試驗，選擇最適參數(shù)，控制了發(fā)熱量，保證了充電器的長期穩(wěn)定工作。在設計過程中，充分考慮了實際生產(chǎn)的需求。在保證實用性和可靠性的前提下，簡化設計，選擇常用器件，提高了性價比，具有良好的應用前景。