矿用锂离子电池组典型充电电路设计

兰 华

（太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

矿用锂离子电池组典型充电电路设计

兰 华

（太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

通过比较可矿用锂离子电池组的充电方法及充电策略，介绍了一种典型锂离子电池组充电电路，提出了几种典型均衡充电电路。

锂离子电池组；充电方法；均衡电路

随着煤炭工业的高速发展，锂离子电池在煤矿设备及各种便携式设备中得到了广泛应用，其充电技术也不断更新和提高。然而用锂离子电池替代镍铬、镍氢电池不是简单的“即插即用”，这是因为锂离子电池与镍铬、镍氢电池相比有一个最大的不同点：锂离子电池严禁过充、过放电。锂离子电池过充、过放电时，极易被损坏，严重的还会出现起火、爆炸等安全事故，甚至危及人的生命。因此，对锂离子电池充电技术的研究日趋关键和紧迫。

由于单体锂离子电池的标称电压为3.7 V或3.2V左右，而锂离子电池越来越多的应用在煤矿矿灯、自控喷雾阀、便携式设备等领域，这些领域大多需采用串联的电池组来获得较高的供电电压，因此，本文着重介绍串联锂离子电池组的充电技术。

1 充电方法比较

串联锂离子电池组的充电方法主要有2种：串联充电和并联充电，见图1和图2。根据锂离子电池自身的特性，其最适宜的充电策略为串联两阶段充电。但无论采取哪种策略，只要是串联充电就都存在电池在长期充放电过程中，电性能的离散问题，因此还必须加入均衡充电电路。充电方法比较：

串联两阶段充电方法:特点是综合恒流恒压充电，优点是充电时间短、效率高。缺点是电路复杂，适用于锂电池体系。

并联充电方法：特点是每只电池独立控制，优点是针对性好，电池均衡一致。缺点是结构复杂体积大成本高，也适用于锂电池体系。

2 典型充电电路设计

串联锂离子电池组充电通常采用：先恒流充电再恒压加均衡的充电策略。我们在矿灯和自控喷雾阀等设备中均采用此典型充电电路。

2.1 设计思路与基本原理

充电电路输出特性由电流、电压、单体电压负反馈进行控制，在通过驱动功率器件实现所需的恒压、恒流和单体电池限压的控制。同时，设计一个均衡模块对单体电池电压进行均衡控制。

其中，驱动和保护电路模块是最重要的模块，担负着充电器充电工作顺利进行的重要任务。

而控制电路的作用主要在于对充电器的恒压、恒流阶段进行控制，即根据电池组的总电压、总电流的限定值和单体电池的限制电流、电压对充电器进行输出控制，还有充电器的启动控制。

电池电压、电流检测电路是控制充电的必要前提，检测电路检测到任一单体电池电压（实测值）达到充电电压上限（最大充电电压预设值）时，充电策略从恒流方式切换到恒压方式继续充电，直到检测到总电流（实测值）达到充电电流下限（最小充电电流预设值，如电池电量的1/20）时，停止充电。

2.2 均衡充电电路设计

对于串联锂离子电池组，要想获得较长的寿命性能，必须采用均衡技术，在国内外这种技术已经得到完全认同，它主要解决单体锂离子电池长期充放电过程中的离散现象。如果不采用均衡充电技术锂离子电池的离散性将逐步扩大，使电池组内的单体电池出现过充或过放，大大降低了锂离子电池组的寿命。

均衡充电电路有很多种，目前比较典型的均衡电路主要有以下几种：

1）恒定分流电阻均衡充电原理，每个单体锂离子电池上都并联一个分流电阻。

2）通断分流电阻均衡充电原理，它与恒定分流均衡充电的区别就是增加了一个通断开关，这个开关的控制可以由单片机系统软件来控制，也可以通过简单的逻辑电路来控制。

3）开关电容均衡充电原理，顺序开关驱动电路主要由时钟电路构成，它驱动多路开关顺序闭合，顺序把单体锂离子电池接入传送电容器，通过传送电容器传递各单体电池之间的不平衡能量。

4）降压型变换器均衡充电原理。主回路是标准的降压式调节器，在储能电感上增加多组相同的次绕组，用于电池单体的辅助充电。显然，电压低的单体电池会从次绕组上得到更多的能量，电压高的得到的能量少。

5）平均电池电压均衡充电原理。其中放大器由单体电池供电，这种均衡充电控制电路是将单体电池电压与平均电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单体电池分流。

煤矿矿灯、自控喷雾阀采用了平均电池电压均衡充电路，取得了良好的使用效果。

3 结束语

锂离子电池是一种新型高能电池，已广泛应用于矿用电液阀、自控喷雾阀、矿灯等设备上，并在煤矿更多领域展现出广泛的应用前景。充电技术的更新与发展将进一步提高锂离子电池的使用寿命和效率，改善其不稳定因素，反过来也将促进锂离子电源事业的发展，从而加速锂离子电池应用领域的更快发展。

目前针对锂离子电池组充电特性的研究较少，还没有一个精确的数学模型全面描述锂离子电池组的充电过程，缺乏严密的数学分析，增加了电池组充电技术的不确定性。尤其是目前国内外的均衡电路还都存在这样那样的局限性，因此，锂离子电池组充电技术的研究，尤其是均衡充电技术的研究将成为今后研究的重点。

[1]苏力宏，乔生儒，肖军.锂离子电池的发展趋势[J].电源技术应用，2004，（2）：110-113.

[2]高岩，潭玲生.锂离子电池组充电器概述[J].电子元器件资讯，2008，（11）:56-58.

Typical Charge Circuit Design of Mining Li-ion Battery Series

LAN Hua
(College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024，China)

By the comparison of several mining charge methods and strategies of Li-ion battery series,the article introduces a typical charge circuit and several equalization charge circuits.

Li-ion battery series;charge method;equalization circuits

TD621；TD607

A

1672-5050（2010）11-0061-02

编辑：徐树文

2010-09-19

兰 华（1960—），女，四川泸县人，大学本科，高级实验师，从事矿山机械设计研究与教学。