電池組雙向無損均衡充放電模塊的設(shè)計(jì)

摘要：由于串聯(lián)電池組充電時(shí)的不均衡，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命縮短，均衡充電成為了串聯(lián)電池組充電技術(shù)中重要的考慮因素。為改善串聯(lián)電池組充電時(shí)的不平衡，應(yīng)保證電池組中所有電池的電壓都處在同一水平狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)一種用單片機(jī)控制的雙向無損均衡充、放電模塊，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模塊的效果。
關(guān)鍵詞：電池組；均衡充放電；單片機(jī)

0 前言

研究表明，安全有效的蓄電池充電方式是推動(dòng)電動(dòng)汽車普及的主要因素之一，要給電動(dòng)汽車提供足夠的動(dòng)力，往往需要將多個(gè)蓄電池串連起來才能達(dá)到所需的電壓值，該電壓值要比單個(gè)電池的電壓值要高出許多。為了使用方便，電池組在充電時(shí)是將其作為一個(gè)整體采用一個(gè)電源進(jìn)行充電的。

由于單個(gè)電池的特性總存在差異，因此在充電過程中各電池的電壓不盡相同，從而導(dǎo)致有的電池已經(jīng)完全滿充而有的電池則還沒有充滿電。在充電過程中，如果有一個(gè)電池發(fā)生過充電，輸入的多余電量不僅不會(huì)儲(chǔ)存在電池里，而是消耗在電解液中并致使電池發(fā)生過熱，同時(shí)，由于電解作用產(chǎn)生的氣泡會(huì)附著在電極上，從而減少電極與電解液的接觸面積，降低充電的效率。另一方面，當(dāng)充電終止時(shí)，各電池荷電未達(dá)均衡，又會(huì)導(dǎo)致放電的不均衡，甚至使得個(gè)別電池因深度放電引起極性顛倒，縮短了電池組的壽命。為了延長電池組的使用壽命,必須使所有的電池均保持在同樣的充放電深度,即需對(duì)電池組進(jìn)行均衡充放電。

1電池組的均衡充電方案分析

過去已經(jīng)有許多對(duì)于電池組均衡充電技術(shù)的相關(guān)研究^【1.2】，其中有的技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)能量無損，有的則是通過一套電能轉(zhuǎn)換裝置來實(shí)現(xiàn)均衡充電，有的則是采用電能的多路輸出方式，將多余的能量傳送給總回路或者傳遞給相鄰的電池。因此有的方案其電路組成和控制結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有的則需設(shè)專門的能量裝換裝置，因而使用面較窄。并且這些方案大都是以組為對(duì)象的集中控制方案，有的方案雖然解決了能量損耗問題，卻存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)和維護(hù)不便等不足。

2．雙向無損均衡原理

雙向無損均衡充放電方案結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，每個(gè)電池均衡分流電路均由兩個(gè)場效應(yīng)管Q、兩個(gè)二極管D和一個(gè)儲(chǔ)能元件電感 L 組成。（B）圖畫出的是三塊電池串連時(shí)的電路連接情形。以充電為例，假設(shè)在均衡電路1中兩電池電壓出現(xiàn)不均衡，如V _B1>V _B2 ,則 Q₁₁導(dǎo)通，電池B₁向電感L₁充電，當(dāng)Q₁₁截止時(shí), L₁為了續(xù)流，與B₂、D₁₂構(gòu)成回路,電感中儲(chǔ)存的能量就轉(zhuǎn)移到B₂中,實(shí)現(xiàn)了能量從B₁到B₂的轉(zhuǎn)移。同理當(dāng)V _B1＜V _B2時(shí)，則通過Q₁₂的通斷來實(shí)現(xiàn)能量從B₂到B₁的轉(zhuǎn)移，即該電路是一種能量雙向傳遞的均衡裝置。盡管能量只在相鄰電池間傳遞，由于能量的傳遞趨勢總是由電壓高的電池傳遞到電壓低的電池上,因而最終實(shí)現(xiàn)整組電池的均衡。放電時(shí)，原理與充電時(shí)基本相同。

由于所有的均衡電路結(jié)構(gòu)都是相同的，所以容易實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。

3.單片機(jī)控制雙向均衡模塊的設(shè)計(jì)^【3】

欲延長電池組的使用壽命,充放電時(shí)應(yīng)使所有的單個(gè)電池均保持在同樣的荷電狀態(tài)，而蓄電池的電壓是電池不一致性最為直觀也最容易測量的表現(xiàn)形式，所以，均衡充電的思想要旨是充放電過程中盡量使各電池保持在同一電平。

基于上述的原因，本設(shè)計(jì)采用的是以電壓為比較參數(shù)，通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)電壓高的電池把能量直接傳遞給電壓低的電池。雙向均衡模塊的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制雙向均衡模塊結(jié)構(gòu)組成

其中，均衡電路用于實(shí)現(xiàn)相鄰兩電池間的能量平衡；參數(shù)采集電路對(duì)電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要采集的參數(shù)是電池端電壓和溫度，通過A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)，以便對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；單片機(jī)在監(jiān)測電池狀態(tài)的同時(shí)還對(duì)均衡電路進(jìn)行控制，一旦發(fā)現(xiàn)電池間電壓差異達(dá)一定值，即給相應(yīng)的場效應(yīng)管送出觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通，電壓高的電池給電感充電，場效應(yīng)管截止時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量給電壓低的電池補(bǔ)充充電。

4.單片機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)

均衡模塊的控制關(guān)鍵是電池電壓參數(shù)的采集和場效應(yīng)管觸發(fā)脈沖的輸出以及電池狀態(tài)的判斷，控制軟件在實(shí)現(xiàn)均衡充放電的同時(shí)還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池過充電、過放電的指示保護(hù)，另外當(dāng)電池溫度超出其工作溫度范圍時(shí)也能及時(shí)輸出保護(hù)指示。

模塊的單片機(jī)控制軟件流程圖如圖3所示。

圖3 模塊的單片機(jī)控制軟件流程圖

5.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

用2節(jié)12V/4Ah鉛酸電池做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前分別將電池放電至電壓不均衡,然后利用雙向均衡模塊做均衡充、放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)初始條件基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、5，由圖可以看出，在無均衡情況下，充、放電的后期，電池間的電壓差越來越大，而雙向均衡模塊在充放電過程中有效地縮小了兩電池間的電壓，尤其在充放電后期能避免電池過充電和過放電，保護(hù)了電池組。

圖4 25.5Ω純電阻放電實(shí)驗(yàn)電壓差變化趨勢圖

圖5 1A恒流充電實(shí)驗(yàn)電壓差變化趨勢圖

6.結(jié)論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于雙向無損均衡充放電方案采用獨(dú)立模塊形式，工作時(shí)只需將（N-1）個(gè)模塊連接在個(gè)數(shù)為N的電池組里，容易實(shí)現(xiàn)且方便維護(hù)，此外，在充放電過程中其自動(dòng)地平衡相鄰電池間的容量差異，保證了電池組中所有的電池在充放電過程中都處在同一水平,從而防止了電池的過充、過放,因而延長了電池組的工作壽命。另外，采用單片機(jī)控制方式，具有控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這是一個(gè)有效的電路。

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