串連蓄電池組的均充技術(shù)研究

    單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限，在很多場(chǎng)合下要組成串連蓄電池組來(lái)使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本，是擺在我們面前的重要問題。

    蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的物理性能。

    此外，電池管理技術(shù)的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對(duì)蓄電池組來(lái)說，除去上述原因，單體電池間的不一致性也是個(gè)重要因素。針對(duì)蓄電池充放電過程中存在的單體電池不均衡的現(xiàn)象，筆者分析比較了目前的幾種均充方法，結(jié)合實(shí)際提出了無(wú)損均充方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)有的均衡充電方法

    實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進(jìn)行均充，目前主要有以下幾種方法。

    1.在電池組的各單體電池上附加一個(gè)并聯(lián)均衡電路,以達(dá)到分流的作用。在這種模式下,當(dāng)某個(gè)電池首先達(dá)到滿充時(shí)，均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，繼續(xù)對(duì)未充滿的電池充電。該方法簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來(lái)能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。

    2.在充電前對(duì)每個(gè)單體逐一通過同一負(fù)載放電至同一水平,然后再進(jìn)行恒流充電,以此保證各個(gè)單體之間較為準(zhǔn)確的均衡狀態(tài)。但對(duì)蓄電池組，由于個(gè)體間的物理差異，各單體深度放電后難以達(dá)到完全一致的理想效果。即使放電后達(dá)到同一效果，在充電過程中也會(huì)出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。

    3.定時(shí)、定序、單獨(dú)對(duì)蓄電池組中的單體蓄電池進(jìn)行檢測(cè)及均勻充電。在對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，能保證蓄電池組中的每一個(gè)蓄電池不會(huì)發(fā)生過充電或過放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個(gè)蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。

    4.運(yùn)用分時(shí)原理，通過開關(guān)組件的控制和切換，使額外的電流流入電壓相對(duì)較低的電池中以達(dá)到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復(fù)雜。

圖1 分時(shí)控制均充原理圖

    5.以各電池的電壓參數(shù)為均衡對(duì)象，使各電池的電壓恢復(fù)一致。如圖2所示，均衡充電時(shí)，電容通過控制開關(guān)交替地與相鄰的兩個(gè)電池連接，接受高電壓電池的充電，再向低電壓電池放電，直到兩電池的電壓趨于一致。

    該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問題，但該方法主要用在電池?cái)?shù)量較少的場(chǎng)合。

圖2 均衡電壓充電原理示意圖

    6.整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，單體電池都有獨(dú)立的一套模塊。模塊根據(jù)設(shè)定程序，對(duì)各單體電池分別進(jìn)行充電管理，充電完成后自動(dòng)斷開。

    該方法比較簡(jiǎn)單，但在單體電池?cái)?shù)多時(shí)會(huì)使成本大大增加，也不利于系統(tǒng)體積的減小。

無(wú)損均充電路

    本文提出了一種無(wú)損均充電路。均充模塊啟動(dòng)后，過充的電池會(huì)將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。

1 電路設(shè)計(jì)

    N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路，如圖3所示。圖中BTi是單體電池，Si是MOSFET，電感Li是儲(chǔ)能元件。Si、Li、Di構(gòu)成一個(gè)分流模塊Mi。

    在一個(gè)充電周期中，電路工作過程分為兩個(gè)階段：電壓檢測(cè)階段（時(shí)間為Tv）和均充階段（時(shí)間為Tc）。在電壓檢測(cè)階段，均衡旁路電路不工作，主電源對(duì)電池組充電，同時(shí)檢測(cè)電池組中的單體電池電壓，并根據(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來(lái)控制開關(guān)狀態(tài)，對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。

圖3 均充電路

    除去連接在B1兩端的M1，所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔?，所有的分流模塊都會(huì)將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中，而M1則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。

2 開關(guān)管占空比的計(jì)算

    充電時(shí)電池的荷電狀態(tài)SOC（state of charge）可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得出，其中V是電池的端電壓。

    SOC＝－0.24V ²＋7.218V－  53.088 （1）

    SOC是電池當(dāng)前容量與額定容量之比，SOC=Q/Q _TOTAL×100%。

    通過把電壓檢測(cè)階段末期檢測(cè)到的電池電壓轉(zhuǎn)化為荷電狀態(tài)，而單節(jié)電池的儲(chǔ)存容量Qest,n與SOC存在相應(yīng)的關(guān)系，Qest,n可以被估算出來(lái)。

    在充電平衡階段，從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中，Tcep為一個(gè)充電周期內(nèi)均充階段的時(shí)間。為使在均充階段達(dá)到單節(jié)電池儲(chǔ)存容量的平衡，均充的目標(biāo)Q _tar應(yīng)為：

     （2）

    但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉(zhuǎn)換是相互影響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算。不過，Gauss-Seidel迭代法可以解決這個(gè)問題。
期望的儲(chǔ)存容量Q _n可以用下式來(lái)計(jì)算：

 （3）

    其中，I _dis,n是一個(gè)開關(guān)周期中的平均電流，I _obt,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Q _tar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達(dá)到均充時(shí)的電荷量，Q _n是期望的儲(chǔ)存容量，取Q _tar＝Q _n，即（2）、（3）相等。通過相應(yīng)換算，得到占空比 的計(jì)算公式：

（4）

    這里的函數(shù)f _N只是一個(gè)示意函數(shù)，表示D _n和D ₂...D ₃存在一定關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    為了驗(yàn)證本文的均衡充電方法，以兩節(jié)單體電池組成的蓄電池組為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，主要驗(yàn)證旁路中開關(guān)管對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用?？刂屏鞒桃妶D4。

圖4 控制流程

    由于沒有現(xiàn)成的蓄電池，需用替代電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。充電過程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化，并且充電過程中電池蓄積能量，根據(jù)對(duì)蓄電池的物理性質(zhì)的分析和相關(guān)資料，采用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代單體蓄電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

    本實(shí)驗(yàn)中，選用兩個(gè)小功率NPN管C1815(Q1、Q2)來(lái)替代開關(guān)管，用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開關(guān)。同時(shí)，蓄電池的端電壓V1和V2由差動(dòng)放大電路采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到CPU。在整個(gè)過程中，電壓每20ms采樣一次，每隔1s上傳上位機(jī)并保存并自動(dòng)繪制曲線。圖5為試驗(yàn)電路圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

    圖6為根據(jù)采樣數(shù)值繪制的曲線。

圖6 充電過程中蓄電池端電壓曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，充電開始時(shí)電壓相差為1.98V ，在經(jīng)過充電140s后，電壓相差值約為0.2V；在均充過程中，電池電壓有趨向一致的趨勢(shì)。均充方法能根據(jù)單體電池的差異，縮短蓄電池組之間的不一致性，使蓄電池組的整體性能得到提高，壽命延長(zhǎng)。

    同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該方法也有效果不理想的地方，那就是兩節(jié)電池端電壓差值較大。究其原因，一是本實(shí)驗(yàn)中用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代蓄電池，這和真實(shí)的蓄電池存在差別，無(wú)法達(dá)到理想的模擬狀態(tài)；二是本實(shí)驗(yàn)主要是檢驗(yàn)開關(guān)管的開關(guān)對(duì)電壓的均衡影響，在很多環(huán)節(jié)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些次要因素，而這些因素也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。

    但總的來(lái)說，本實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)定的目的，證明了無(wú)損均充法的可行性。