浅析动力锂电池组的充电管理电路设计问题

天津力神电池股份有限公司 王 曦



浅析动力锂电池组的充电管理电路设计问题

天津力神电池股份有限公司 王 曦

【摘要】随着我国经济的发展，对环保的要求越来越高，发展清洁无污染的电动交通工具变得迫切而必要，电动车类的出现解决了车辆的尾气污染问题，电池管理系统是电动车的重要技术之一，锂离子电池由于自身独特的优势能为重要的动力电池。本文主要探讨动力锂电池组的充电管理电路设计问题。

【关键词】动力锂电池组；充电管理；电路设计

现代科学技术不断进步，人们的生活水平不断提高，环保观念深入人心，新型能源越来越受到人们的关注并且成为各国研究的焦点。电能无疑是应用最广泛的动力能源，锂电池是动力电能的首选，锂电池的优势很多，包括寿命长、没有记忆效应、较高的能量体积比和质量比等。锂电池组充电中具有不平衡性，动力电池的充电技术是目前需要解决的问题。

一、锂电池概述

过去我们熟知的传统电池主要由电解液和正负极组成，常见的主要是蓄电池和一次性电池。蓄电池有镍氢电池、铅酸电池等，一次性电池又称原电池，有碱锰电池、锰干电池等。锂电池有锂离子蓄电池和锂原电池，一般手机等使用的多是锂离子蓄电池。锂电池在正负极之间移过来移过去，又称摇椅电池，锂离子在充电时从氧化物正极迁移，利用有机电解液传导进入负极，放电的时候从负极迁移向正极迁移，就像摇动的椅子。在正常充电的情况下，一般不会引起晶体的破坏，锂电池正极和负极的材料不会发生质变。单体锂离子电池的工作电压比较高，一般高达3.6V到3.8V之间。锂离子电池的容量大，使用寿命比较长，循环次数至少500次。在所有的金属中，作为电池的材料，锂的重量是最轻的，同时能够提供高电压以及高能量密度。锂离子电池具有很好的环保效用，没有对环境有重大污染的，类似铅和汞的材料，而且没有记忆效应［1］。

二、动力锂电池组充电方案选择

单节动力锂电池充电需要电流一定，保持恒流充电。电压在充电过程中会不断升高，当达到额定电流的上限，一般是3.8V到4.2V之间的电压上限，充电时便改用恒压充电，不再使用恒流充电。在充电过程中，随着电芯的逐渐饱和，电流会慢慢减小，减小到一定程度的时候充电就会终止，意味着充电过程的完成。

动力锂电池组的充放电循环过程中，由于单体电芯的差异，整个动力锂电池组会有一定的差异，其中一部分的单节锂电池容量会加速衰减。在串联电池组里，单体电芯的最小容量决定整个电池组的容量。部分单体电芯的容量衰减，会影响整个电池组的使用寿命。出现这种锂电池组充电不平衡的主要原因是单节电芯的自放电率不同，电池制作中的技术问题以及使用时周围环境的差异。

一般在每个电池出厂的时候，电阻和电压是基本一致的，但是使用一段时间后，每个电池都会产生单体性能的差异，所以需要采用一定的技术手段来解决这个问题，否则由于单体电芯性能一致性的差异，可能导致某串电芯先充满电而另一串没充满的现象。只有解决动力锂电池组充电不均衡的问题，才能改善锂电池的工作性能，提高锂电池的使用寿命［2］。因此在选择充电方案时，常使用均衡电路。现今对锂电池的均衡管理主要是回馈型管理和能耗型管理。回馈型管理主要利用能量转换器，向电池组中的个别单体电芯回馈偏差能量。从理论上讲，如果把转换效率忽略掉，在回馈过程中能量并没有消耗，就可以实现动态均衡。但是这种方式设计复杂，成本较高。能耗型管理主要是利用分流转移电能来实现均衡，提供并联支路给每串单体电芯，对电压过高的电芯进行分流，实用性比较强。

三、充电管理电路设计

1.整体结构

通过开关电源的时候，工频交流电会发生转化，转化成低压直流电（eg.18V/5A），向升压电路输出。根据CPU的控制信号，依据一定的条件，升压电路会为电池组提供充电电流。CPU会接收到电压监控系统的反馈，主要是各电池的实时电压具体情况［3］。CPU对整个电池组电压电流的控制主要通过升压电路实现，根据实时反馈，调整每个电池的充电速率，达到电池组充电的一致性和均衡性。

2.升压电路的具体设计

开关电源电路和调压电路关系着电能的输入转化，开关电源进行直流电转化和输出，升压电路调节直流电，使其转化为锂电池组需要的电压和电流，并且按照充电的状况能够进行实时调节。如图1所示：

图1　

Q5是升压电路的整体开关，充电器如果工作正常，开关电源的正极输出接到DC+，负极输出接到DC-。充电过程中，电池监控电路会及时反馈电压给CPU，CPU按照反馈的电压对PWM的占空比进行计算，根据计算的结果输出对应的调制信号。PWM调制信号控制Q3开关的情况，输出需要的电压。

3.分流控制电路

设计分流控制电路如图2所示：当对锂电池组充电时，如果其中一个单体电芯的电压比电池组里其他串电芯的电压高时，电路控制核心CPU就会进行动作，使部分电能通过旁路电阻分流，从而降低电压过高的单体电芯充电速率，使锂电池组各串单体电芯充电速率一致。充电器的性能会受到均衡电流的影响，主要是均衡电流的大小选择。如果电流大，充电器的稳定性较差。

图2　设计分流控制电路图

总而言之，单体锂电池在串联充电中具有不平衡性，与它的工作环境以及制作技术相关，这种不平衡性容易使锂电池受到损害，缩短了它的使用寿命。在锂电池组的充电管理电路设计中，采用分流法进行设计，选择能耗型进行管理，能够很好地解决不平衡问题，提高锂电池使用的安全性，延长使用寿命。

参考文献

［1］赵庆川，李军，孙世岭.锂离子动力电池组保护与均衡电路设计［J］.煤矿安全，2013，44（11）：125-127.

［2］冷炎.动力电池组均衡充电管理系统研究［J］.电信技术，2015（12）：9-12.

［3］王坤.动力锂电池SOC估算及电池组管理系统的设计［D］.大连理工大学，2014.