矿用锂电池组并联均流电路的设计

尹 鹏，李良光， 陈兆权

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

煤矿分为低瓦斯矿与高瓦斯矿，低瓦斯矿井下的电机车供电一般采用架线直流电网供电，高瓦斯矿井下的电机车采用的是蓄电池供电。目前井下电机车常用的蓄电池是铅酸蓄电池组[1]，但是铅酸蓄电池对环境有污染，属于国家政策性淘汰产品，而新兴的磷酸铁锂电池具有污染较小等优点[2]，所以从污染方面而言，铅酸蓄电池以后会逐渐被新兴的磷酸铁锂电池所取代。煤矿井下的电机车需要250 V或550 V的直流电压和数百安的电流，鉴于煤矿安全规程的要求，矿井下面是个易燃易爆的环境，单体密封磷酸铁锂电池的容量不能太大，但要达到煤矿井下电机车的电压和电流的要求，就需要将多组磷酸铁锂电池组并联使用。当磷酸铁锂电池组直接并联时，会产生环流现象，这种环流会使电池的能量白白浪费，也会缩短电池的有效使用寿命。另外，由于电池组的端电压不同或电池组的端电压相同但内阻不同，将电池组并联使用时还会发生电流的不均衡现象。本文研究的是用磷酸铁锂电池组来代替铅酸蓄电池给电机车供电时所产生的环流现象和电流的不均衡现象。为了提高电池的容量利用率和使用寿命，本文设计了电池组电流控制电路，以此电路来遏制环流，并达到各电池组电流均衡的目的。

1 环流实验

实验选用磷酸铁锂电池，将16节相同容量的磷酸铁锂单节电池先串联形成一个电池组，串联后容量为40 Ah，然后将2个电池组并联（负极直接连接，正极之间串联一个电阻和一个电流表，每个电池组都并接电压表，电流表正极接较高电压电池组的正极，电流表负极接较低电压电池组的正极）。电阻是用来放电的，电流表是显示环流示数的，电压表是显示电池组的电压变化，电路如图1所示。

电池组1的初始电压为53.46 V，电池组2的初始电压为52.91 V。两组电池的电压差为0.55 V，选用电阻R为0.33 Ω。实验数据记录如表1所示，电压的变化为：105 min后，电池组1的电压为53.33 V，电池组2的电压为52.78 V。

从以上实验分析可以得出：当电池组直接并联时，电池组之间存在环流；电池组电压与电池组存储能量存在严格的关系，关系系数暂不能确定；表面现象为电池组1对电池组2充电，但实际上没有充进去电，因为电池要被充电，充电电压必须要高于一定电压才能引起电池内部的化学变化。

2 电流的不均衡实验

针对以上实验结果，为了对环流加以控制，设计了电流的不均衡实验电路，如图2所示。选用磷酸铁锂电池组作为实验用电池组，将16节相同容量的磷酸铁锂单节电池先串联形成一个电池组，串联后容量为40 Ah。充满电后，电池组1电压为53.9 V，电池组2电压为50.39 V；放电负载电阻为2 Ω/4000W；二极管为200 A/100 V（肖特基二极管）。电压表V1和电压表V2用来监测电池组两端的电压，防止电池组过放。

表1 环流实验电流随时间变化数据记录

放电电流随时间变化数据记录如表2所示。

表2 电流不均衡实验放电电流随时间变化数据记录

经过几次反复实验，结果和上述的数据类似。对以上实验数据进行分析：总电流的变化不是很大，其主要原因在于负载电阻两端的电压变化不大；两个电池组同时放电，电压较高的电池组先以较大电流放电，后以较小电流放电；电压较低的电池组先以较小电流放电，后以较大电流放电。从分析结果可以得出：在每个电池组上串联一个二极管对遏制环流效果很好，电池组与电池组之间没有环流现象，但是由于电池组的端电压不同或电池组的端电压相同但内阻不同，都会导致电流不均衡现象的产生。

3 均流电路设计及仿真研究

3.1 均流电路的设计

虽然在电池组上加二极管可以有效遏制环流的产生，但是从实验结果来看，每个电池组的电流是不均衡的。在整个电流不均衡实验的过程中，电池组端电压相同，但两个电池组的端电压都在同时减小。电压较高的电池组先以较大电流放电，后以较小电流放电，电流由大变小，其原因在于该电池组的内阻在逐渐增大；电压较低的电池组先以较小电流放电，后以较大电流放电，电流由小变大，其原因在于该电池组的初期放电较少，电动势基本不变，而负载电压下降。从长远来看，当n个电池组并联时，由于电流不均，单个电池组在部分时间内放电电流过大，这样放电的结果就会导致电池组的性能下降、有效寿命缩短。为了减少对电池组的性能和寿命的影响，本文设计了一个电路来均衡电流，如图3所示。

3.2 均流电路的工作原理

R1=0.1 Ω，R2=0.1 Ω，RL=2 Ω，E1=50.37 V，E2=53.8 V，根据基尔霍夫定律[3]，K闭合后，有：

RST1、RST2分别为 MOS 管 S1、S2的固有导通电阻，且RST1＜＜R1，RST2＜＜R2；δ1、δ2分别为 MOS 管 S1、S2的导通占空比。S1、S2的通断由单片机来控制，通过控制S1、S2的导通占空比，可改变R1总和R2总的等效电阻值。

3.3 均流电路仿真及其分析

从图4来看，两路电流一开始相差很大，但经过一段时间后就能达到很好的均流效果，可见图3所示电路是一种结构简单、效果较好的电池组均流控制电路。

4 结论

通过以上环流实验、电流的不均衡电路设计与实验、均流电路的设计及仿真，可以得出：使用图3所示的电路，并给MOS管一个适当的脉冲，就可以使并联电池组的电流均衡，从而达到提高电池的容量利用率和使用寿命的目的。经过实验验证，图3所示的均衡电路同样适用于多路磷酸铁锂电池组并联时的情况，故此电路值得推广。

[1]张勇，甘波平.锂离子蓄电池在煤矿便携式仪器仪表中的安全使用[J].煤矿安全，2011，6：119-121.

[2]付亚娟，郭春雨，郝明明，等.磷酸铁锂材料的改性研究进展[J].电源技术，2010(9)：960-962.

[3]邱关源，罗先觉.电路[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]吴铁洲.HEV锂离子电池组管理关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2010.