动力锂电池组充电管理电路设计

2015-03-26东莞新能源科技有限公司李新宏

电子世界 2015年17期

东莞新能源科技有限公司李新宏

动力锂电池组充电管理电路设计

东莞新能源科技有限公司李新宏

【摘要】在动力锂电池组的运用过程中有一个必须解决的问题就是一致性问题。本文通过分析单体锂电池的重要特征，并对均衡充电理论进行了简要的分析和比较，从而对动力锂电池组充电管理电路进行了具体设计，实践证明该设计方案能够取得良好的效果，有效的延长动力锂电池组的使用寿命，提高其工作性能，对其充电的一致性进行了有效的改善。

【关键词】动力锂电池组；充电管理；电路设计

当前很多世界先进国家都已经开始开发并使用以电能作为动力能源的汽车。在动力电能的电池选择方面，动力锂电池可以重复多次充电，具有较强的使用寿命，而且无记忆效应，其能量体积比和能量质量比都较高，其应用范围也越来越广泛。

1 动力锂电池组充电管理电路设计的必要性

设计动力锂电池组的充电管理电路的目的在于解决电池组充电不平衡的问题，从而对动力锂电池组的充电进行均衡管理。在现有的新型动力技术的基础上，必须对锂电池进行串联，才能满足相应的电压需求，电池在出厂时具有基本一致的内阻和电压，但是每个电池经过一定的使用之后都会产生单体性能的差异性。这就需要通过一定的技术来解决动力锂电池的充电不均衡性问题，才能有效的提高锂电池的工作性能。否则由于电池的单体差异性，在充电时会出现一部分电池先充满，还有一部分电池充不满的情况，严重影响了动力锂电池组的使用寿命和工作性能。

本文主要使用的是能耗型部分分流法，充分的考虑到动力锂电池组充电的稳定性需求以及工业成本控制问题，对动力锂电池的充电管理电路进行了设计。

2 选择合适的锂电池组充电方案

2.1 单节动力锂电池充电的具体要求

恒流充电是对单节锂电池充电的基本要求，也就是必须保障一定的电流。在充电的过程中电池的电压会不断升高，如果电池端的电压到达了电池系统额定恒流充电的电压上限（一般为3.8V-4.2V之间，不同的锂电池材料体系的电压上限会有所不同），那么就不再使用恒流充电，改使用恒压充电的方式，也就是保障一定的电压。以电芯的饱和程度为依据，逐渐的减小电流。如果电流减小到10mA，则停止充电，完成整个充电过程[1]。

2.2 动力锂电池组的充电特性

正是由于每一节单体电池相互都存在一定的单体差异，导致在整个动力锂电池组中连续的充放电循环会造成一定的差异，从而加速了一部分单节锂电池的容量衰减速度。单体电池的最小容量直接决定了串联电池组的容量，如果一部分单体锂电池的容量衰减过快，就会造成整个电池组的使用寿命减少。

造成动力锂电池组充电不平衡性的主要原因有以下几个方面：

第一，在制作电池的过程中出现的工艺问题，导致同一批次的电池在内阻和容量方面的差异过大。第二，由于电池具有不同的自放电率，在使用了一段时间之后电池的容量就会出现较大的差异。第三，在使用电池的过程中，电路板、温度等使用环境的差异也会造成电池容量的不平衡[2]。

2.3 选择科学的充电方案

使用均衡电路进行充电能够尽量，减小锂电池组受到电池容量不平衡性的影响。使用比较广泛的锂电池组均匀管理方案主要有两种：回馈型管理方案和能耗型管理方案。所谓的回馈型管理方案指的是向电池组中的某些单体或者电池组中回馈单体之间的偏差能量，这主要是通过能量转换器来实现的。能耗型管理方案指的是将并联支路提供给各个单体电池，通过分流转移电能的方式来控制电压过高的单体电池，使其达到电能的均衡。鉴于回馈型管理方式在不考虑转换效率，也就是设定回馈不消耗能量的基础上能够实现动态均衡，但是具有过高的制造成本，其设计控制的方法也非常复杂，因此本文选择了能耗型管理方案。

按照能量回路的处理方式，可以将能耗型管理方案分为分流和断流两个类型。所谓的分流指的是在不断开工作回路的基础上，在每个电池上加上一个旁路电阻，如果与组内的其他电池相比，该单组电池过高，旁路电阻就可以接收一部分或者全部的充电电流，这样一来各个单体电池的充电就实现了均衡性。断流指的是也对单体电压变化的监控为基础，在达到一定条件时就断开单体电池的充电回路，通过旁路电阻来接收充电电流。可以使用电力电子部件或者机械触点来构成开关矩阵，从而对电池组内单体间的连接结构进行动态改变。鉴于动力锂电池都具有较大的功率，分流法能够实现更好的热管理效果，而且有效的提高充电的效率[3]。

3 动力锂电池组的充电管理电路具体设计

3.1 设计系统的整体结构

在通过开关电源时，工频交流电就会转化为电池组额定电压/电池组额定充电电流直流电，向升压电路进行输出。以CPU控制信号为依据，升压电路都会将充电电流提供给电池组。电池的实时电压主要由电压监控电路向CPU进行反馈，通过升压电路可以实现CPU对电池组的整体充电电流和电压的控制，从而对各个单体电池的充电速率进行科学的调整，使整个电池组能够一致充电。

3.2 升压电路设计

调压电路和开关电源电路共同组成了电能的输入转化环节。开关电源主要负责对输入的工频交流电进行转化，使其成为电池组额定电压/电池组额定充电电流直流电，再将其输出。升压电路主要负责转换开关电源输出的直流电，使其成为电池组充电需要的电流和电压。升压电路还可以以充电状态为根据实时调节输出的电流和电压。

如果充电器的工作过程正常，那么开关电源的正极会接到DC+，开关电源的负极会接到DC-，并且关断开关管Q5。电池监控电路会对CPU进行反馈，根据其反馈电压能够将PWM占空比计算出来，从而将相应的调制信号输出。根据驱动级的放大调整，PWM调制信号能够对Q3开关状态进行良好的控制，从而输出合适的电压。通过对PWM输出的占空比进行调节，就能够对电池的充电电压进行有效的控制

3.3 电压监控环节设计

单个的锂电池具有较小的电压，为了满足工作电压的要求，可以使用串联的方式来使用锂电池，将其组成锂电池组。在充电的过程中应该实时监控锂电池组中每一个电池的电压情况。只有这样才能确保不会由于过充而对锂电池造成损坏，使每个电池能够保持正常的工作状态。通过设计一定的电路能够比较各个电池的实时电压，从而将其转化到同一基准。为了实现电平转换可以使用光耦隔离取样的方式，与普通光耦相比，线性光耦的价格高出10倍出于成本控制考虑在电压的实时监控和采集时可以使用普通光耦线性化连接。光耦的电流传输参数不会影响测量电路的电压增益，电压增益只会受到电阻阻值的影响，因此电压信号的线性隔离需求能够得到满足。通过对电路进行转化，使电池电压成为具有统一参考的输出电压[4]。

3.4 分流控制电路设计

如果在充电时一部分单体电池的电压与组内其他电池相比就过大的差异，CPU就会拉高控制端口，从而实现电能从旁路电阻的分流，使电压过高的单体电池的充电速率降低。这样一来整个电池组中的各个单体电池能够具备同步的充电速率。