矿用锂离子动力电池安全性智能充电关键技术研究

孙晓磊，张全柱，邓永红，马红梅

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

不同于以往的锂离子电池，锂离子动力电池是指总容量在3Ah以上的锂离子电池组，为了能够提供较大的容量和电压，通常在实际使用中，将多块锂离子电池单体并连和串联起来，以满足设备对电池容量和电压的要求。目前，动力锂离子电池在移动式救生舱，避难硐室，矿用电机车和除尘车等场所和装备中的应用已进入实质性研究阶段。但由于锂离子动力电池在使用过程中存在一定的危险性，严重制约了其在国内外煤矿生产中的推广应用。在国家“863”电动汽车重大专项和市场的推动下，锂离子电池动力化在绿色电动车动力电源中的研究已初露锋芒，但由于缺乏相应的标准和安全的充电和BMS技术，其在煤矿电机车等矿用设备动力电源中的应用还几乎是空白。目前煤矿生产中最常用的动力源主要铅酸蓄电池组，而铅酸蓄电池具有容量小，寿命短，不利于环保等明显的缺点，若其能被锂离子动力电池所取代，这将会大大节约生产成本，改善煤矿的生产环境。锂离子动力电池在使用过程中要进行不断的循环充电，那么研究一款适用安全的充电方案，对动力锂离子电池在煤矿安全生产中的推广应用具有极其重要的意义。笔者在结合动力锂离子电池安全性特点和前人的基础上，提出了一款安全可靠的锂离子动力电池智能充电机设计方案。

1 动力锂离子电池充电过程中的安全注意事项

锂离子电池在充放电过程对于电压、电流和温度有着苛刻的要求，在充电过程中要对其进行严格的控制。其中应注意的主要事项有:

1)对锂离子电池过充超过其允许值，会损坏正负极板，使电池出现膨胀等现象，如电池有裂纹，会出现漏液甚至爆炸的危险。

2)要给锂离子电池进行快速充电，就需要用大电流，但过大的充电电流会导致电池内部发热过快，热量无法及时排除，降低锂离子电池寿命或损坏电池甚至发生爆炸。

3)充电电压和充电电流要控制在合适的点，充电速度过快或充电电压控制点不当都会造成电池的部分电极活性物质没有得到充分反应而使电池容量不足，而且随着循环次数的增加这种容量不足的现象会越来越严重，影响锂离子电池的性能。

4)动力锂离子电池一般由多组电池串并联在一起以提高电池的供电电压和电池容量，但是由于每块单体锂离子电池的个体差异性，会使这些电池组在充电过程中表现出电压离散型特点，造成单体间的电压不均，在控制电池组电压不过压的同时，要同时保证每块单体电池电压不过压。

5)在充电过程中一定要严防电池短路和温度过高的情况发生。

2 锂离子电池充电过程分析

锂离子电池的充电过程分为两个阶段:恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段中，电池电压不断升高，当电池组电压达到设定电压时，立即转入恒压阶段，电流则随着电池电量的上升以一定的规律逐步减弱到设定的值而最终完成充电。对于第一次充电的电池，时间应尽可能长(一般在3～4个小时)，使电极氧化尽可能完全，这种初充电模式要每隔一段时间进行一次，以达到电池最大容量的释放(只需控制好恒流时间即可完成初充电)。

本实验选取8串SE60AHA型电池组配置方案(单体标称电压3.2V)为实验对象，先以恒流模式(≤1CA)进行快速充电，使电池达到标称电压后以恒压24V(上下浮动在50mV以内)进行缓充电，电池充足电时，停止充电，或根据具体情况需要进入涓流充电模式。这种先恒流再恒压，大约需要两个小时可以将电池充满。

3 充电机主要结构设计和功能特点

如图2所示，该智能充电机主要由四部分组成:AC/DC主电路部分，DSP控制部分、输出采样部分和锂离子电池组管理部分。其主要功能实现:输入矿用电压 AC 380V/50Hz或 AC660V/50Hz三相电压，在DSP的闭环控制和保护作用下经过两次AC/DC变换和滤波得到给定的充电电压和电流，在BMS芯片MAX11068的管理下给锂离子电池组块进行均衡性安全充电。其中本方案的研究重点集中在:IGBT逆变控制技术，输出恒流恒压双闭环控制技术和BMS技术。

3.1 IGBT逆变控制关键技术及实验波形输出

充电机输出端恒流或恒压闭环控制操作的实现，主要通过对IGBT PWM脉冲信号的控制来完成，该PWM信号由芯片UCC3895产生。在理论推导和实验验证的基础上，笔者对该芯片的参数进行了验证和优化。

如图3所示，UCC3895采用平均电流控制模式。平均电流模式由于具有噪声抑制能力强，无斜坡补偿等优点广泛应用在PWM控制电路中。误差放大器同相端输入信号控制电压信号V+，反向端输入信号为末端采集的电感电流信号V－。误差放大器输出平均电流跟踪误差信号UEOUT，该信号与RAMP端锯齿波信号进行比较，得到PWM关断时刻，作为IGBT的控制驱动信号。CS端为过流保护端，其关断电压为2.5V(其保护电流上限可以硬件设定)，输入信号为检测到的电感电流信号ic。当发生过流或短路故障时，可以立即关闭PWM输出，在对锂离子动力电池进行充电时，可以很好地保护电池和充电机免受过流损坏。SS端通过电容接地可以实现软启动功能。实验输出波形如图4所示。

图2 动力锂离子电池智能充电器主电路拓扑图

图3 UCC3895驱动IGBT拓扑图

UC3895参数设定:

fout为四路输出频率，fin为芯片内部时钟频率。要想得到20kHz的输出频率，那么fin=40kHz。由芯片内部时钟周期

可以计算出R5=30kΩ，C5=100pF。

DELAB和DELCD两端电压满足:

其中VCS－VADS大小范围为0v～2.5v.VDEL大小范围为0.5v～2.375v.输出端电流大小需满足

2)延时时间设定:

选取 RCS=RADS=109kΩ，RCS=200kΩ，RADS=100kΩ ，此时满足IDEL=0.016mA＜1mA.死区时间tDELAY范围为:1.15us～5.45us.

图4 OUTA和OUTB输出波形，tDELAY=4us

3.2 电流电压双闭环控制

充电机输出控制环节采用电压外环，电流内环双闭环控制模式，其输出曲线可以很好地拟合锂离子电池的充电曲线(误差最大为±50mV)对于延长电池寿命，提高电池工作效率起到很大作用。其中电流内环由软件设定，电压外环由UCC3895外围电路完成，如图3所示硬件PI调制环节。

图5 电压电流双闭环结构图

充电初期以恒流模式输出，K1关断，K2闭合到b端，UCC3895内部误差比较器连接成跟随器，进入电流闭环控制模式，电流闭环PI控制环节中Kp、KI由软件设定，其输入与输出关系:

在恒流模式下，随着充电过程的进行，蓄电池电压会不断上升，那么在电流闭环的控制作用下，为保持恒流，充电器输出电压也会不断上升，并始终保持一定压差。当充电器输出电压升到参考值U1时立即转入电压闭环控制以恒压模式输出，这是K1开通，K2闭合到a端。此时输入输出关系:

在恒压模式下，随着压差不断减小，输出电流也以一定规律不断减小，当电流减小到0时，电池充满电，停止充电或以涓流模式继续充电。

3.4 锂离子动力电池组BMS

由于目前国内已经研制的大多数锂离子电池组BMS控制策略复杂，体积大，成本高，不适宜在煤矿生产中大量推广，笔者设计的充电机方案中采用了一款新型的锂离子动力电池组管理芯片MAX11068，可在锂离子动力电池组充电和工作时很好完成温度检测和过压欠压报警，主动式电压均衡等操作。MAX11068是一款高度集成，耐高压，低功耗，高精度并可同时对12组串联锂离子电池单体进行主动式均衡、检测和报警操作的电池管理芯片。高度集成的电池检测器结合了简捷的状态机和高速I2C总线，支持SMBus串行链路通信，在工作时可以通过单片机对该芯片进行实时控制，设置报警电压，温度等参数，并可以将采集到的电池信息或报警信息实时地传送给单片机。该芯片的使用可以大大减小在对矿用锂离子动力电池充电池时的电池管理成本，而且在工作时可以实时检测每组电池单体，对发生欠压，过压，过温等异常现象的单体电池，进行准确迅速的主动式均衡或报警，同时和单片机或计算机进行实时通信，可以将数据存储起来对电池寿命，安全性等进行分析和评估。

图6 MAX11068管理拓扑图

4 结束语

这里设计的矿用锂离子动力电池充电机的主要设计机构，能够利用 AC380V 50Hz/AC660V 50Hz电压给动力锂离子电池进行安全性快速充电。电压变换部分采用通流能力大，开关速度快，稳定性好的IGBT绝缘双栅极晶体管对电压进行逆变变换，其PWM控制脉冲信号由UCC3895产生，该芯片具有良好的过流保护和软启动功能，在充电的过程能很好的保护电路，并通过电流电压双闭环控制，实现恒流恒压功能。锂离子动力电池的管理部分采用MAXIM公司最新的动力锂离子电池管理芯片MAX11068，大大的节约了成本，提高了锂离子动力电池使用时的安全性。实验表明该充电机可以很好实现给矿用动力锂离子电池的安全高效充电，对于锂离子电池动力电池在煤矿生产中的推广应用具有重要意义。笔者针对动力锂离子电池充电所存在的问题和要求着重对该型智能充电机在电流、电压控制和电池管理系统方面进行研究，提出一种合理、安全的矿用动力锂离子电池充电方案。

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