微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)

5 無損充電機

鋰離子動力電池?zé)o損充電機采用整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓的充電方法，對電池實現(xiàn)無損充電。無損的含意有兩層，一是充電效率接近100%，充電功率基本無損耗，二是充、放電完全依據(jù)電池的特性曲線(請參考圖1)，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機免除電池管理系統(tǒng)，僅由簡單的電路實現(xiàn)電池系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和維護管理系統(tǒng)的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現(xiàn)象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進行均衡充電，同時無易受干擾的復(fù)雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡單實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)充電機的十分之一。

整體串聯(lián)恒流充電的含義是：對于電池整體，進行串聯(lián)充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源。單體并聯(lián)恒壓控制的含義是：每個單體電池都直接并聯(lián)一個并聯(lián)穩(wěn)壓電路，所有并聯(lián)穩(wěn)壓電路直接串聯(lián)，可以理解為，對整體電池進行串聯(lián)恒流充電的同時，也對所有串聯(lián)的并聯(lián)電路進行串聯(lián)恒流充電，串聯(lián)充電電流是流經(jīng)電池，還是流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，取決于電池充電時的實時端電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓調(diào)整為電池充電終止電壓值3.75V，當(dāng)某個與之并聯(lián)的單體電池端電壓充電到此電壓值時，并聯(lián)電路啟動，串聯(lián)恒流充電電流流經(jīng)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，而不再流經(jīng)電池，該單體電池充電停止，其他單體電池繼續(xù)進行串聯(lián)恒流充電，仿佛串聯(lián)恒流充電對直接串聯(lián)的整體電池和直接串聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路這兩個支路同時進行充電一樣，只不過充電的對象由并聯(lián)穩(wěn)壓電路控制，因而得名單體并聯(lián)恒壓控制。上述整體串聯(lián)恒流充電、單體并聯(lián)恒壓控制的充電方法，具備串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有優(yōu)點，完全免除了串聯(lián)、并聯(lián)充電的所有缺點。當(dāng)充電終了時，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓設(shè)定值3.75V。鋰離子單體電池之間，本來在容量、內(nèi)阻、衰減、自放電等性能上存在差異，經(jīng)過無損充電后，個體之間的這種差異完全消失，當(dāng)然再也不會發(fā)生過充、過熱現(xiàn)象。

圖8是無損充電機充電{5}的原理電路，其中E1=2.5V，E2=2.0V是單體鋰離子電池，V1是直流恒流恒壓電源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va和Vb，分別和電池E1、E2并聯(lián)。V1通過電阻R1直接對鋰離子電池E1、E2串聯(lián)充電，當(dāng)有一個電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達(dá)并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va設(shè)定的穩(wěn)壓值時，齊納二極管D1開通，并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va啟動，串聯(lián)充電電流流經(jīng)三極管Q2，不再對E1充電，E1的端電壓也不再上升;與此同時，串聯(lián)充電電流繼續(xù)對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電源V1才斷開，串聯(lián)恒流充電終止。

圖8 整體串聯(lián)恒流、單體并聯(lián)恒壓充電原理電路圖

圖8右邊分別是鋰離子電池E1、E2充電電壓的仿真波形，E1從2.5V開始充電，當(dāng)其端電壓充到3.75V后，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)，V1繼續(xù)對E2充電;E2從2.0V開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和E1的充電曲線重合，因為E2起始充電電壓較低，恒流充電時間較長，較后進入充滿和并聯(lián)穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖9是無損充電機放電(包括充電)的原理電路，Q5控制充電電源V1的接入和斷開，Q6控制電池組的放電全過程。開關(guān)S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個開關(guān)電路SW1和SW2，分別和單體電池E1、E2并聯(lián)，在放電過程中，E1、E2的端電壓總是大于D3、D5的擊穿電壓，開關(guān)S3、S4閉合;同樣道理，開關(guān)S2的控制邊(包括D4、R7)和整個電池組并聯(lián)，在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開關(guān)S2閉合。開關(guān)S1的控制邊通過電阻R5和開關(guān)S2、S3、S4和整個電池組并聯(lián)，于是開關(guān)S1也閉合，驅(qū)動電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導(dǎo)通，電池組向負(fù)載R4放電。

在放電過程中，當(dāng)電池組中有一個單體電池，例如E1的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組放電終止。當(dāng)電池組過放、過流或外部短路時，電池組端電壓小于D1的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅(qū)動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關(guān)斷，電池組停止放電，當(dāng)過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復(fù)正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，于是S1也閉合，V2加到Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續(xù)對負(fù)載放電。

圖9 無損充電機放電原理電路圖

單體電池E1，連同與之并聯(lián)的并聯(lián)穩(wěn)壓電路Va和開關(guān)電路SW1，構(gòu)成一個基本單元，此基本單元可以任意級聯(lián)，對任意數(shù)目的鋰離子動力單體電池組成的電池組進行充放電。