均衡充電技術(shù)

1、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(wèn)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(wèn)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(shuō)，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(guò)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?，F(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)

2、行均充，目前主要有以 下幾種方法。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(mǎn)充時(shí)，均衡 裝置能阻止其過(guò)充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，繼續(xù)對(duì)未充滿(mǎn)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)。在充電前對(duì)每個(gè)單體逐一通過(guò)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(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。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

3、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(guò)充電或過(guò)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)。運(yùn)用分時(shí)原理，通過(guò)開(kāi)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(guò)控制開(kāi)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(wèn)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整個(gè)系統(tǒng)由

4、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(kāi)。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(guò)充的電 池會(huì)將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿(mǎn)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(guò)程分

5、為兩個(gè)階段：電壓檢測(cè) 階段（時(shí)間為T(mén)v）和均充階段（時(shí)間為T(mén)c）。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(kāi) 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?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(kāi)關(guān)管占

6、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二Q/QTOTAL X100%。通過(guò)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：但是，在被激發(fā)的旁路和其他

7、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(guò)，Gauss-Seidel迭代法 可以解決這個(gè)問(wèn)題。期望的儲(chǔ)存容量Q n可以用下式來(lái)計(jì)算:其中，I dis,n是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均電流，Ion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(guò)相應(yīng)換算，得到占空比的計(jì)算 公式：牛 工（m以=富苦+20：竺，9產(chǎn)5 = 1(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)

8、計(jì)為了驗(yàn)證本文的均衡充電方法，以?xún)晒?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(kāi)關(guān)管對(duì)電壓的調(diào)節(jié) 作用?？刂屏鞒桃?jiàn)圖4。圖4控制流程由于沒(méi)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(guò) 程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化，并且充電過(guò)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(kāi) 關(guān)管，用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開(kāi)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(guò)程中，電壓每20ms采樣

9、一次，每隔1s上 傳上位機(jī)并保存并自動(dòng)繪制曲線(xiàn)。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(xiàn)。圖6充電過(guò)程中蓄電池端電壓曲線(xiàn)-電池A-電池Bssf實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，充電開(kāi)始時(shí)電壓相差為1.98V , 在經(jīng)過(guò)充電140s后，電壓相差值約為0.2V;在均充過(guò)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

10、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(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(shuō)，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。1、蓄電池所用電解液密度應(yīng)在1.260-1.280之間，氣溫高的季 節(jié)，可 取下限密度值，氣溫低的季節(jié)取上限值。2、放電后的蓄電池應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充電，不得擱置12小時(shí)以上。3、串聯(lián)充電的蓄電池應(yīng)為同型號(hào)，相互間放電程度相差不得超 過(guò) 15%。4、在普通充電時(shí)，當(dāng)充入電量約為上次實(shí)放電量的1.4倍時(shí)， 需進(jìn)行電解液密度及液血高度的調(diào)整，調(diào)整后繼續(xù)充電半小時(shí)， 以使電解液均勻。對(duì)于非干荷

11、電電池的初充電，充入電量應(yīng)為該 電池額定容量的1.5-3倍。如6-Q-60電池的初充電量應(yīng)為 90Ah-180Ah 之間。5、在初充電及普通充電中如果有個(gè)別單格電壓特別低且密度電 壓升高極其緩慢，繼續(xù)用第二階段充電電流充電，或單獨(dú)對(duì)其充 電，仍不能消除差別的，應(yīng)停止充電，排除故障后再進(jìn)行充電。6、充電過(guò)程中電池溫度不宜過(guò)高，過(guò)高時(shí)應(yīng)采取措施進(jìn)行降溫。7、蓄電池在使用中要注意放電程度，禁止過(guò)放電，一般情況下 放電量不得超過(guò)額定容量的50%，對(duì)其放電程度的判定可由電 解液密度來(lái)確定，電解液密度每降低1%，容量減少6%。8、應(yīng)經(jīng)常檢查電解液的液血高度和密度，并給予調(diào)整；由于水 份蒸發(fā)液血降低的須加蒸餾水調(diào)整；由于電解液濺出而降低的， 可注入與電解液密度相同的硫酸溶液；在一般情況下仍可用蒸餾 水調(diào)整。9、蓄電池要保持清潔，經(jīng)常清洗排氣栓透氣孔，用干布擦去灰 塵和臟物，并每隔30-35天用沾有約10%的氨水或蘇打水的抹 布清理電池表面，再用清水沖洗，最后再用潔凈的干布擦干。10、禁止用電池短路的方法來(lái)檢測(cè)蓄電池的帶電情況，以防止發(fā) 生爆炸造成人員傷亡。11、充電室內(nèi)應(yīng)有