串联锂离子电池组均衡管理方法研究

2013-07-05吕栋腾

机电产品开发与创新 2013年1期

马艳，韩佳，吕栋腾

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

0 引言

随着电动车和便携式电子产品的快速发展，对于电池技术的研究受到越来越多学者的关注和重视，电池技术也在近年来不断地的更新换代。锂离子电池由于其能量密度高、自放电小、无记忆效应、使用寿命长及单节电池电压高等许多优点，得到了广泛的应用，迅速成为市场上的主流电池产品。

对于较大功率的电器而言，单节电池的容量是有限的，不能保证用电器长时间工作，而串联锂离子电池组可以提供较高的电压、较大的电池容量。但是在实际使用时，锂离子电池组各单体电池之间存在差异性，在电池组充放电过程中，这种差异性会使个别单体电池由于过充或者过放而损坏，从而导致整个电池组损坏，降低电池组的使用寿命，因此在充放电时对锂电池组中的单体电池进行能量均衡是十分必重要的[1]。

为解决串联锂离子电池组在充放电时的均衡问题，提高电池组的性能和使用寿命，本文综合前人的研究成果[2]，提出了一种改进型的串联锂离子电池组充放电均衡管理方案。该方案直接采用DC/DC开关电源，在充放电过程中根据检测到的各单体电池的状态（电压值、电流值等），运用智能化算法判断出需要均衡的单节电池，对该节电池进行额外的均衡充放电，实现电池间能量的转移。

1 整体设计思路

图1为串联锂离子电池组均衡管理整体设计框图。

（1）中央控制器采用TMS320F2812，满足系统接收、处理大量数据，并进行相关算法运算和对实时性的要求。

（2）电池监测：采用精工S-8254A芯片，可测量4个串联锂离子电池电压，电流传感器采用霍尔传感器CSCA0075A000-U12J-001，电压传感器采用霍尔电压传感器CLSM-10MA，ATmega32为MCU构成监测模块。设计出电池组过压、欠压、过流、短路、过温、低温保护电路[3]。

图1 串联锂离子电池组均衡管理整体设计框图

（3）充电控制：运用脉冲恒流恒压充电方式，保证锂电池的完美充电曲线。配合ATmega32控制芯片及程序对主、备电源组进行充电，遵守低压电池优先充电原则。

（4）放电控制：设计的放电回路，配合其他模块，避免电池过放电的发生。

（5）均衡管理：直接采用DC/DC开关电源，在充放电过程中根据检测到的各单体电池的状态（电压值、电流值等），运用智能化算法判断出需要均衡的单节电池，对该节电池进行额外的均衡充放电，实现电池间能量的转移[4]。

2 均衡管理

本文采用改进型的Flyback变换器[5]对串联电池组进行均衡管理。Flyback变换器是一种单管反激式直流变换器，其变压器实际上是个耦合电感，其开关管为PWM工作[6]。

如图2所示为四节串联锂离子电池组的均衡电路图，每节电池两端都并联在一个Flyback变换器的变压器的原边上，变压器的副边连在一起再接到整个电池组的正极上。Flyback变换器构成的均衡电路有三种工作状态：

（1）充电电路给电池组充电时，反激变换器中的开关管断开，二极管截至，变压器的原副边电路中没有电流，原副边线圈中都不储存能量。

图2 串联锂离子电池组的均衡电路

（2）当充电过程中有一个单体电池出现过充现象，则其所在的反激变换器的开关管闭合，电池通过原边电路放电，原边电流增加，变压器的副边线圈此时存储能量，而副边的二极管处于截至工作状态，副边电路中没有电流。

（3）当电池放电达到电池的额定容量时，开关管截至，二极管导通，由于变压器的副边都是连接在一起再接到整个电池组的正极的，所以存储在变压器副边线圈中的能量传递给整个电池组，所有电池以相同的电流充电，得到相同的能量，则过充电池释放的能量在电池组中是均匀分配的。

3 均衡效果

本文通过实验验证所设计的均衡电路已达到预先的均衡效果。实验使用的电池组是4节20Ah锂离子电池串联的电池组。表1列出了上述均衡电路对四节锂离子电池的均衡结果。其中初始和结束分别代表均衡前后的各项指标。VB1～VB4是电池组中每节单体电池的端电压，∑VB、Vavg和△VBmax分别代表电池组中所有电池的电压总和、平均电压和电池间的最大电压差。