锂电池组充电管理电路设计问题

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摘要：一致性问题是动力锂电池组在应用过程中要解决的必要问题。本文通过对单体锂电池特征进行分析，根据均衡充电理论设计了动力锂电池组的充电管理电路，此设计方案通过反复地实践证明是可以取得优良效果的，具体表现在动力锂电池组的工作性能提升以及使用寿命的延长，有效改善其充电的一致性。

关键词：动力锂电池组；充电管理；电路设计

1设计动力锂电池组充电管理电路的必要性

电池组充电不平衡的问题是本文要解决的核心问题，也是设计动力锂电池组充电管理电路的目的所在。要实现充电进行均衡管理就必须解决电池组充电不平衡问题，本文使用的主要是能耗型部分分流的方法。虽然大部分电池在出厂时拥有相同的电压和内阻，但是在最新动力技术的基础下，要满足相应电压的需求也必须串联锂电池。而每个锂电池经过一段时间的使用之后都会产生不同的单体性能，这就导致了差异性的存在，这种差异的存在直接导致锂电池的充电不均衡，而这种不均衡需要通过一定的技术来解决。不然，由于单体差异性的存在，必然导致锂电池先后充满的现象，这会严重影响动力锂电池组的工作性能和使用寿命，只有解决这一问题才能提高锂电池的工作性能和使用寿命。本文选择能耗型部分分流的方法除了能有效地解决此类问题外，更是考虑到工业成本问题以及动力锂电池组充电的稳定性需求进行的充电管理电路的设计。

2锂电池组充电方案的选择

2．1单节动力锂电池充电的方式

单节动力锂电池充电的方式分为前后2个阶段。第一阶段为恒流阶段，具体而言就是电流一定，电压不断地升高。第二阶段为恒压阶段，具体而言就是保障电压一定，逐渐减小电流。恒流阶段向恒压阶段的转换以电池端的电压到达了电池系统额定恒流充电的电压上限为界（不同的锂电池材料体系会有不同电压的上限，一般是3．8V～4．2V）。而恒压阶段则以电芯的饱和程度为依据，而整个充电过程完成的标志就是当电流减小到10mA时就会停止充电。

2．2动力锂电池组的充电方式

上文讲过虽然大部分电池在出厂时拥有相同的电压和内阻，但是在最新动力技术的基础下，要满足相应电压的需求也必须串联锂电池。而每个锂电池经过一段时间的使用之后都会产生不同的单体性能。而这些单体差异的存在将会导致充放电循环也会产生一定的差异，并且将持续在整个动力锂电池组充放电循环中。如此一来便使得部分单节锂电池的容量加速衰减。而串联电池组的容量是由最小容量单体电池的电容量直接决定的，因此，衰减过快将会导致整体的使用寿命的缩短。锂电池组的充电不平衡主要由以下几个方面造成：首先是制作工艺直接出现问题，同一批次的电池在内阻和容量在出厂的时候就直接不同。其次是在使用过程中由于动力锂电池组的充电管理电路设计问题导致电池出现不同的自放电率，从而在使用了一段时间过后电池的容量出现差异性，这是本文要解决的问题。最后，在使用电池的过程中，由于环境的差异也会造成电池容量的不平，例如温度。

2．3选择科学的充电方案

均衡电路可以帮助降低锂电池在充电过程中因电容不平衡而受到的影响。锂电池组有2种用得比较多的均匀管理方案，一种是能耗型，另一种是回馈型。能耗型的管理方案是通过并联支路来进行分流，通过转移掉部分电能来降低单体电池的充电速度，控制其异常的超水平电压，从而实现降低电压的目的，使其回到正常的水平。回馈型的管理方案主要依靠的是能量转换器，把单体出现的偏差能量通过能量转换器进行转化，从而保障各个电池的工作维持在同一水平上。但是回馈型的方案在实际应用中存在成本高的问题，因为它忽视了转换器的转换效率以及转换器在转换过程中能量消耗的问题，该方案是比较理想型的，它基于转换器的工作不会产生能量的消耗，现实使用中是不可能不消耗能量的，而且它的控制方法设计得比较复杂，不容易实施，它的成本也是比较高的。综合考虑之后，本文选择了前一种方案，即能耗型。能耗型管理方案可以按照能量回路的不同处理方式分为2个不同的类型，即断流和分流。断流就是实时监测各个单体电池的电压，一旦出现超标的异常，就会自动把其所在的电路断开，停止充电，充电电流就流向其他电路，这种断流的方式可以通过开关矩阵来实现，开关矩阵可以由机械触点或者电子部件构成，当某一单体电池出现异常的时候，它就会改变电路的动态。分流与断流不同的是它不会断开异常电路，而是通过旁路电阻来分流，从而实现各个电池在充电时的均衡性。锂电池有功率大的特点，后者比分流法更具有优势，不仅仅可以进行更好地热管理，还能提高充电效率。

3充电管理电路具体设计方案

3．1系统的整体结构设计

主要以CPU控制信号为依据进行控制，电压监控电路中电池的实时电压，并向CPU进行反馈。在打开电源开关时，工频交流电将会转化成电池组额定电压／电池组额定充电电流直流电，输出到向升压电路中，通过升压电路以及信息反馈实现CPU对电池组的整体充电电流和电压的控制，科学地调整每个单体电池的充电速率，到达整个电池组充电一致的目的。

3．2设计电压监控环节

要组成锂电池组，就一定要以合理的方式，采用串联多个锂电池的方式就能很好地满足工作的需要。同时在进行工作的过程中，要做到对每一个电池都进行监控，这是保证电池寿命，不会为了过充而损坏的关键。

3．3设计分流控制电路

在充电的过程中也要做好分流控制设计。因为电池组中有些电池在充电时会有较大的电压差异，这就导致会有不同步的充电速率而发生损坏。因此通过设计用CPU拉高控制端口的操作就可以实现这种分流电能的效果。

4结语

锂电池相比较众多其他的电池具有诸多的突出优点，像可多次充放电，对环境友好等等，都使得人们对它越来越重视。因此在发展动力锂电池组中，设计充电管理电路就是一种重要的操作。本文在深刻分析了单个电池与电池组的充电方式后，提出相关的具体设计，通过这些设计解决动力锂电池在实际应用中的问题，并加以改善，以此希望对动力锂电池组的发展提供推动力。

参考文献：

［1］刘小平，郭锋，刘宁一．一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案［J］．电动自行车，2010（10）：18－22．

［2］黄勤，严贺彪，凌睿．串联锂电池组无损均衡管理方案设计与实现［J］．计算机工程，2011（12）：226－229．

［3］王天福，刘强，李志强．动力锂电池组充放电智能管理系统设计与实现［J］．电源技术，2011（09）：1069－1071．

作者：罗锋华 单位：江西现代职业技术学院