隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關注的焦點,。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，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問題成為迫切需要解決的技術問題,。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。

　　2 系統(tǒng)設計及分析

　　2. 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　如圖2 系統(tǒng)框圖所示,，工頻交流電通過開關電源轉(zhuǎn)化為18 V/ 5 A 的直流電輸出給升壓電路,，升壓電路根據(jù)CPU 的控制信號為電池組充電提供一定的充電電流，電壓監(jiān)控電路將電池的實時電壓情況反饋給CPU ,，CPU 通過升壓電路實現(xiàn)對電池組整體充電電壓,、電流的控制。通過均衡電路實現(xiàn)各個單體電池充電速率調(diào)整,，以保證整個電池組充電的一致性,。

　　圖2 系統(tǒng)整體框圖

　　2. 2 升壓電路

　　電能的輸入轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)由開關電源電路和調(diào)壓電路兩部分組成。開關電源將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化為18V/ 5 A 直流電輸出,。由于當前開關電源技術已經(jīng)相當成熟,，在此就不再贅述。

　　升壓電路的作用是將開關電源輸出的直流電調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為電池組充電所要求的電壓,、電流,，并能夠根據(jù)充電狀態(tài)對輸出電壓,、電流進行實時調(diào)節(jié)。

　　其中R1 ,、R2 ,、Q1 構(gòu)成電源反接保護電路，Q5 是整個升壓電路的開關,，Q2 ,、Q4 、U1 構(gòu)成場效應管Q3 驅(qū)動級電路,，Q3 ,、L1 、D1 ,、C4 ,、C5 構(gòu)成BOOST 升壓調(diào)節(jié)電路，R9 ,、R10 ,、C6 為電壓采樣電路。

　　在充電器正常工作時,，開關電源的正負極輸出分別接到DC+ ,，DC- ，開關管Q5 關斷,。CPU 根據(jù)電池監(jiān)控電路反饋的電壓計算出的PWM 占空比,，輸出相應的調(diào)制信號。PWM 調(diào)制信號經(jīng)過驅(qū)動級放大調(diào)整,，控制Q3 開關狀態(tài),，以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。

　　由于穩(wěn)態(tài)條件下,，電感兩端電壓在一個開關周期內(nèi)的平均值為零,。可得：

　　其中,，UL 為電感兩端電壓在一個開關周期內(nèi)的平均值,；U0 為輸出電壓；Ui 為輸入電壓,；T 為開關周期,；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,。

　　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,。

　　2. 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。

　　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),。

　　3 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。