文/王晓燕
随着绿色环保能源普及速度加快,锂电池作为移动设备的主要供电电源,越来越被人们所关注。由于其单节容量小的特点,在大功率场合中,只能将多节可充电电池串联组成电池组来提高电池组的容量和功率。但由于制作工艺的偏差,单体电池容量不会完全一致,即使在充电时电池组流过相同电流,容量小的单体电池会最先充满,而容量大的单体电池却未能充满,如继续充电,小容量的单体电池会因为过充而造成电池损坏,而如果停止充电,容量大的单体电池会因为未充满而造成电池组的容量变低,电池组的使用效率低下;同理,电池组放电时,小容量单体电池最先放完,而大容量单体电池却未能放完,此时如继续放电,小容量电池会因为过放而造成电池损坏,如停止放电,大容量电池会因为未放完而造成电池组使用效率变低。
研究电池均衡管理的目的,是防止电池组因过充或过放造成的电池组损坏,以提高电池组的寿命。目前国内外针对锂电池均衡研究已经形成了很多成果,很多公司和研究机构都致力于将均衡充电系统推向市场;然而大部分均衡充电系统中所用器件过多,均衡充电电路体积过大,控制策略复杂,均衡效果不理想等因素的存在都制约着均衡充电技术的发展。
电池均衡电路主要的功能是可以防止电池的过充电与过放电,本方案的主要电路拓扑是基于电容能量转移法的原理。下面讲解充电方案原理。
图1:电池均衡原理图
图2:正向能量传输电路结构图
图3:反向能量传输电路结构图
如图1所示,正常情况下K0导通,当电路充电时,电流由电池组正极(BAT+)经n-1节电池流过K0流经电阻R1到达电池组负极(BAT-)。模数转换芯片B如检测到正电压值,电路将判定为此时为电池组充电状态。K1~Kn开关分别与每个电池的正负极相连,控制电路将控制相邻开关轮流开通,电路只接通一只电池到总线上,总线上的电压方向随着开关的组合不同而不同,所以需要换相。此时KX与KY开路,其余开关KA~KD通断情况跟随接入总线电池的改变而改变,以3#电池为例。当3#接入总线时,电流由3#正极出发,经过开关K3、Ka及电感到达电容正极,电容负极经KD和K4回到BT2负极,电容C1由3#电池为其充电。经过一定时间,C1电压与3#电池电压相等,此时断开与电池连接的开关K3、Ka、Kd及K4。接通Ky,此时可以通过模数转换芯片A进行C1上的电压检测,所测电压即为刚才所接通3#电池的电压,这样分别通过不同的开关组合,从而对电池组中的每节电池电压进行轮流测量。当电池的充电电压达到4V以上时,均衡电路开始工作,将所测电压最高的电池能量转移到电压最低的电池上,此时的K1~Kn开关将只在能量传递的两节电池上轮流开通,当电容接高电压电池时,C1上初始电压很低,而电池电压较高,直接连通会有比较大的损耗,所以电路组成一个正向能量传输电路(如图2所示)。电路由KA或KC与KX一起组成,KA或KC为主开关管,KX为续流管,直到C1上的电压与电池电压相等时,充电完成,此时,需要将电容内的能量传递给电池电压低的电池,电路组成一个反向能量传输电路(如图3所示),K1~Kn开关连通电压低的电池,电路由KA或KC与KX一起组成,KX为主开关管,KA或KC为续流管,将C1内的电压进行升压传递给低电压电池,当C1内的电压过低时(<2V),又将电容接到电压高的电池上进行充电,直到所有的电池电压基本一致,当最高电压电池电压达到4.25V时,电池组不能再充电了,K0断开,充电均衡完成,均衡电路进入等待模式,电路必须要很小的耗电。
正向能量传输电路为降压型电路,由电感、电容和二极管等元器件构成。它是通过控制开关的导通关断,将输入电压变成稳定的输出电压的一种电路结构,如图2所示。其中ui为输入电压,K3、K4、KA和KB为开关管,L1是电感,C1是输出滤波电容,uo是输出电压。
当开关K3、K4、KA和KB导通时,KX断开,电流经过电感L1和电容C1构成回路。电感L1充磁,电容C1充电。当开关K3、K4、KA和KB断开时,KX接通,储能电感L1通过KX放电,电感电流减少,输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的L1电流来维持。
图4:正向能量传输电路仿真图
图5:反向能量传输电路仿真图
反向能量传输电路为升压电路,由电感、电容和二极管等元器件构成,它可以使得输出电压高于输入电压。
当开关K3、K4、KA和KB断开时,KX接通,电感处于充电状态,随着电感电流的增加,电感储存了一些能量;当开关KX断开时,K3、K4、KA和KB接通,电感开始给电容充电,电容两端电压升高,最终高于输入电压。
以电量由高电荷的3号电池向低电荷的2号电池转移过程为例,进行均衡电路的仿真。假设测得3号电池电量为4.2V,2号电池电量为3.8V 。为了便于仿真,电池用1000uF的电容代替,电容C1取值100uF。
首先进行正向能量传输,3号电池将部分电荷转移到C1电容上,仿真图如图4。
中绿色为C1电容两端的电压,红色为3号电池的电压,蓝色为电感L1的电流。从图中可以看出,经过三次开关后C1的电压由2V上升到2.3837V,而3号电池的电压由4.2V降低为4.1716V。
接下来进行反向能量传输,电荷由C1向2号电池的转移,仿真图如图5。
其中绿色为2号电池的电压,红色为电容两端的电压,蓝色为电感L1的电流。从图中可以看出,经过三次开关后C1的电压由2.3V降低为2.0254V,而2号电池的电压由3.8V上升到 3.8131V。
通过以上仿真可知,当电池电量不均衡时,采用均衡电路通过正向反向能量传输工作,可以很好地实现电量从高电荷电池到低电荷电池的传送,从而实现整个电路的电量均衡。