均衡充電技術

1、單個蓄電池的電壓與容量有限，在很多場合下要組成串連蓄電池 組來使用。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。對蓄電池組來說，除去上述原因，單 體電池間的不一致性也是個重要因素。針對蓄電池充放電過程 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，結合實際提出了無損均充方法，并進行了試驗驗證?，F(xiàn)有的均衡充電方法實現(xiàn)對串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進

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并聯(lián)均衡電路,以達到 分流的作用。在這種模式下,當某個電池首先達到滿充時，均衡 裝置能阻止其過充并將多余的能量轉化成熱能，繼續(xù)對未充滿的 電池充電。該方法簡單，但會帶來能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。在充電前對每個單體逐一通過同一負載放電至同一水平， 然后再進行恒流充電，以此保證各個單體之間較為準確的均衡狀 態(tài)。但對蓄電池組，由于個體間的物理差異，各單體深度放電后 難以達到完全一致的理想效果。即使放電后達到同一效果，在充 電過程中也會出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。定時、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進行檢測及 均勻充電。在對蓄電池組進行充電

3、時，能保證蓄電池組中的每一 個蓄電池不會發(fā)生過充電或過放電的情況，因而就保證了蓄電池 組中的每個蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。運用分時原理，通過開關組件的控制和切換，使額外的電 流流入電壓相對較低的電池中以達到均衡充電的目的。該方法效 率比較高，但控制比較復雜。圖1分時控制均充原理圖以各電池的電壓參數(shù)為均衡對象，使各電池的電壓恢復一 致。如圖2所示，均衡充電時，電容通過控制開關交替地與相鄰 的兩個電池連接，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 方法主要用在電池數(shù)量較少的場合。圖2均衡電壓充電原理示意圖整個系統(tǒng)由

4、單片機控制，單體電池都有獨立的一套模塊。 模塊根據設定程序，對各單體電池分別進行充電管理，充電完成 后自動斷開。該方法比較簡單，但在單體電池數(shù)多時會使成本大大增加， 也不利于系統(tǒng)體積的減小。無損均充電路本文提出了一種無損均充電路。均充模塊啟動后，過充的電 池會將多余的電量轉移到沒有充滿的電池中，實現(xiàn)動態(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電路設計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是儲能元件。Si、Li、Di構成一個分流模塊 Mi。在一個充電周期中，電路工作過程分

5、為兩個階段：電壓檢測 階段（時間為Tv）和均充階段（時間為Tc）。在電壓檢測階段，均 衡旁路電路不工作，主電源 對電池組充電，同時檢測電池組中 的單體電池電壓，并根據控制算法計算MOSFET的占空比。在均 充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計算所得的占空比來控制開 關狀態(tài)，對相應的電池進行均充處理。在這個階段中，流經各單 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的單向導通作用，所有的 分流模塊都會將多余的電量從相應的電池轉移到上游電池中，而 M1則把多余的電量轉移到下游的電池中。2開關管占

6、空比的計算充電時電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)可由下面的 經驗公式來得出，其中V是電池的端電壓。SOC=-0.24V 2+7.218V- 53.088 (1)SOC是電池當前容量與額定容量之比，SOC二Q/QTOTAL X100%。通過把電壓檢測階段末期檢測到的電池電壓轉化為荷電狀 態(tài)，而單節(jié)電池的儲存容量Qest,n與SOC存在相應的關系， Qest,n可以被估算出來。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為一個充電周期內均充階段的時間。為使在均充階 段達到單節(jié)電池儲存容量的平衡，均充的目標Q tar應為：但是，在被激發(fā)的旁路和其他

7、電池之間的充電轉換是相互影 響的，單體電池經旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流 很難用一個簡單的公式進行計算。不過，Gauss-Seidel迭代法 可以解決這個問題。期望的儲存容量Q n可以用下式來計算:其中，I dis,n是一個開關周期中的平均電流，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)下電池經充 電周期Ts達到均充時的電荷量，Q n是期望的儲存容量，取Q tar=Q n，即（2）、（3）相等。通過相應換算，得到占空比的計算 公式：牛 工（m以=富苦+20：竺，9產5 = 1(4)這里的函數(shù)f N只是一個示意函數(shù)，表示D n和D 2.D 3存在一定關系。3實驗設

8、計為了驗證本文的均衡充電方法，以兩節(jié)單體電池組成的蓄電 池組為例進行實驗和分析，主要驗證旁路中開關管對電壓的調節(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，需用替代電池來進行實驗。充電過 程中蓄電池內阻和端電壓都在不斷變化，并且充電過程中電池蓄 積能量，根據對蓄電池的物理性質的分析和相關資料，采用“電 阻串聯(lián)電容”來替代單體蓄電池來進行實驗。本實驗中，選用兩個小功率NPN管C1815（Q1、Q2）來替代開 關管，用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開關。同 時，蓄 電池的端電壓V1和V2由差動放大電路采集，經A/D轉換送到CPU。在整個過程中，電壓每20ms采樣

9、一次，每隔1s上 傳上位機并保存并自動繪制曲線。圖5為試驗電路圖。圖5實驗電路原理圖圖6為根據采樣數(shù)值繪制的曲線。圖6充電過程中蓄電池端電壓曲線-電池A-電池Bssf實驗結果與分析通過實驗結果可以看出，充電開始時電壓相差為1.98V , 在經過充電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。均充方法能根據單體電池的差異，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。同時，從實驗結果來看，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，一是本實驗中用“電 阻串聯(lián)電容”來替代蓄電池，這和 真實的蓄電池存在差別，無 法

10、達到理想的模擬狀態(tài);二是本實驗主要是檢驗開關管的開關對電壓的均衡影響，在很多環(huán)節(jié)上進行了簡化處理，忽略了一些次 要因素，而這些因素也對實驗結果有一定的影響。但總的來說，本實驗達到了預定的目的，證明了無損均充法 的可行性。1、蓄電池所用電解液密度應在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、放電后的蓄電池應及時補充電，不得擱置12小時以上。3、串聯(lián)充電的蓄電池應為同型號，相互間放電程度相差不得超 過 15%。4、在普通充電時，當充入電量約為上次實放電量的1.4倍時， 需進行電解液密度及液血高度的調整，調整后繼續(xù)充電半小時， 以使電解液均勻。對于非干荷

11、電電池的初充電，充入電量應為該 電池額定容量的1.5-3倍。如6-Q-60電池的初充電量應為 90Ah-180Ah 之間。5、在初充電及普通充電中如果有個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，或單獨對其充 電，仍不能消除差別的，應停止充電，排除故障后再進行充電。6、充電過程中電池溫度不宜過高，過高時應采取措施進行降溫。7、蓄電池在使用中要注意放電程度，禁止過放電，一般情況下 放電量不得超過額定容量的50%，對其放電程度的判定可由電 解液密度來確定，電解液密度每降低1%，容量減少6%。8、應經常檢查電解液的液血高度和密度，并給予調整；由于水 份蒸發(fā)液血降低的須加蒸餾水調整；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 水調整。9、蓄電池要保持清潔，經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檢測蓄電池的帶電情況，以防止發(fā) 生爆炸造成人員傷亡。11、充電室內應有