均衡充电技术

1、单个蓄电池的电压与容量有限，在很多场合下要组成串连蓄电池 组来使用。但蓄电池组的中的电池存在均衡性的问题。如何提高 蓄电池组的使用寿命，提高系统的稳定性和减少成本，是摆在我 们面前的重要问题。蓄电池的使用寿命是由多方面的因素所决定，其中最重要的 是蓄电池本身的物理性能。此外，电池管理技术的低下和不合理的充放电制度也是造成 电池寿命缩短的重要原因。对蓄电池组来说，除去上述原因，单 体电池间的不一致性也是个重要因素。针对蓄电池充放电过程 中存在的单体电池不均衡的现象，笔者分析比较了目前的几种均 充方法，结合实际提出了无损均充方法，并进行了试验验证。现有的均衡充电方法实现对串联蓄电池组的各单体电池进

2、行均充，目前主要有以 下几种方法。在电池组的各单体电池上附加一个并联均衡电路,以达到 分流的作用。在这种模式下,当某个电池首先达到满充时，均衡 装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，继续对未充满的 电池充电。该方法简单，但会带来能量的损耗，不适合快充系统。在充电前对每个单体逐一通过同一负载放电至同一水平， 然后再进行恒流充电，以此保证各个单体之间较为准确的均衡状 态。但对蓄电池组，由于个体间的物理差异，各单体深度放电后 难以达到完全一致的理想效果。即使放电后达到同一效果，在充 电过程中也会出现新的不均衡现象。定时、定序、单独对蓄电池组中的单体蓄电池进行检测及 均匀充电。在对蓄电池组进行充电

3、时，能保证蓄电池组中的每一 个蓄电池不会发生过充电或过放电的情况，因而就保证了蓄电池 组中的每个蓄电池均处于正常的工作状态。运用分时原理，通过开关组件的控制和切换，使额外的电 流流入电压相对较低的电池中以达到均衡充电的目的。该方法效 率比较高，但控制比较复杂。图1分时控制均充原理图以各电池的电压参数为均衡对象，使各电池的电压恢复一 致。如图2所示，均衡充电时，电容通过控制开关交替地与相邻 的两个电池连接，接受高电压电池的充电，再向低电压电池放电， 直到两电池的电压趋于一致。该种均衡方法较好的解决了电池组电压不平衡的问题，但该 方法主要用在电池数量较少的场合。图2均衡电压充电原理示意图整个系统由

4、单片机控制，单体电池都有独立的一套模块。 模块根据设定程序，对各单体电池分别进行充电管理，充电完成 后自动断开。该方法比较简单，但在单体电池数多时会使成本大大增加， 也不利于系统体积的减小。无损均充电路本文提出了一种无损均充电路。均充模块启动后，过充的电 池会将多余的电量转移到没有充满的电池中，实现动态均衡。其 效率高损失少，所有的电池电压都由均充模块全程监控。1电路设计N节电池串联组成的电池组，主回路电流是Ich。各串联电 池都接有一个均衡旁路，如图3所示。图中BTi是单体电池，Si 是MOSFET，电感Li是储能元件。Si、Li、Di构成一个分流模块 Mi。在一个充电周期中，电路工作过程分

5、为两个阶段：电压检测 阶段（时间为Tv）和均充阶段（时间为Tc）。在电压检测阶段，均 衡旁路电路不工作，主电源 对电池组充电，同时检测电池组中 的单体电池电压，并根据控制算法计算MOSFET的占空比。在均 充阶段，旁路中被触发的MOSFET由计算所得的占空比来控制开 关状态，对相应的电池进行均充处理。在这个阶段中，流经各单 体电池的电流是不断变化的，也是各不相同的。图3均充电路除去连接在B1两端的M1,所有的旁路分流模块组成都是一 样的。在均充旁路中，由于二极管Di的单向导通作用，所有的 分流模块都会将多余的电量从相应的电池转移到上游电池中，而 M1则把多余的电量转移到下游的电池中。2开关管占

6、空比的计算充电时电池的荷电状态SOC(state of charge)可由下面的 经验公式来得出，其中V是电池的端电压。SOC=-0.24V 2+7.218V- 53.088 (1)SOC是电池当前容量与额定容量之比，SOC二Q/QTOTAL X100%。通过把电压检测阶段末期检测到的电池电压转化为荷电状 态，而单节电池的储存容量Qest,n与SOC存在相应的关系， Qest,n可以被估算出来。在充电平衡阶段，从主充器充入单节电池的电量是IchTcep 其中，Tcep为一个充电周期内均充阶段的时间。为使在均充阶 段达到单节电池储存容量的平衡，均充的目标Q tar应为：但是，在被激发的旁路和其他

7、电池之间的充电转换是相互影 响的，单体电池经旁路输出给其他电池的电流和接收的充电电流 很难用一个简单的公式进行计算。不过，Gauss-Seidel迭代法 可以解决这个问题。期望的储存容量Q n可以用下式来计算:其中，I dis,n是一个开关周期中的平均电流，Ion是从 其他被触发的旁路中获得的电流。Q tar是理想状态下电池经充 电周期Ts达到均充时的电荷量，Q n是期望的储存容量，取Q tar=Q n，即（2）、（3）相等。通过相应换算，得到占空比的计算 公式：牛 工（m以=富苦+20：竺，9产5 = 1(4)这里的函数f N只是一个示意函数，表示D n和D 2.D 3存在一定关系。3实验设

8、计为了验证本文的均衡充电方法，以两节单体电池组成的蓄电 池组为例进行实验和分析，主要验证旁路中开关管对电压的调节 作用。控制流程见图4。图4控制流程由于没有现成的蓄电池，需用替代电池来进行实验。充电过 程中蓄电池内阻和端电压都在不断变化，并且充电过程中电池蓄 积能量，根据对蓄电池的物理性质的分析和相关资料，采用“电 阻串联电容”来替代单体蓄电池来进行实验。本实验中，选用两个小功率NPN管C1815（Q1、Q2）来替代开 关管，用89C51芯片的P1.0和P1.1脚控制Q1、Q2的开关。同 时，蓄 电池的端电压V1和V2由差动放大电路采集，经A/D转换送到CPU。在整个过程中，电压每20ms采样

9、一次，每隔1s上 传上位机并保存并自动绘制曲线。图5为试验电路图。图5实验电路原理图图6为根据采样数值绘制的曲线。图6充电过程中蓄电池端电压曲线-电池A-电池Bssf实验结果与分析通过实验结果可以看出，充电开始时电压相差为1.98V , 在经过充电140s后，电压相差值约为0.2V;在均充过程中，电 池电压有趋向一致的趋势。均充方法能根据单体电池的差异，缩 短蓄电池组之间的不一致性，使蓄电池组的整体性能得到提高， 寿命延长。同时，从实验结果来看，该方法也有效果不理想的地方，那 就是两节电池端电压差值较大。究其原因，一是本实验中用“电 阻串联电容”来替代蓄电池，这和 真实的蓄电池存在差别，无 法

10、达到理想的模拟状态;二是本实验主要是检验开关管的开关对电压的均衡影响，在很多环节上进行了简化处理，忽略了一些次 要因素，而这些因素也对实验结果有一定的影响。但总的来说，本实验达到了预定的目的，证明了无损均充法 的可行性。1、蓄电池所用电解液密度应在1.260-1.280之间，气温高的季 节，可 取下限密度值，气温低的季节取上限值。2、放电后的蓄电池应及时补充电，不得搁置12小时以上。3、串联充电的蓄电池应为同型号，相互间放电程度相差不得超 过 15%。4、在普通充电时，当充入电量约为上次实放电量的1.4倍时， 需进行电解液密度及液血高度的调整，调整后继续充电半小时， 以使电解液均匀。对于非干荷

11、电电池的初充电，充入电量应为该 电池额定容量的1.5-3倍。如6-Q-60电池的初充电量应为 90Ah-180Ah 之间。5、在初充电及普通充电中如果有个别单格电压特别低且密度电 压升高极其缓慢，继续用第二阶段充电电流充电，或单独对其充 电，仍不能消除差别的，应停止充电，排除故障后再进行充电。6、充电过程中电池温度不宜过高，过高时应采取措施进行降温。7、蓄电池在使用中要注意放电程度，禁止过放电，一般情况下 放电量不得超过额定容量的50%，对其放电程度的判定可由电 解液密度来确定，电解液密度每降低1%，容量减少6%。8、应经常检查电解液的液血高度和密度，并给予调整；由于水 份蒸发液血降低的须加蒸馏水调整；由于电解液溅出而降低的， 可注入与电解液密度相同的硫酸溶液；在一般情况下仍可用蒸馏 水调整。9、蓄电池要保持清洁，经常清洗排气栓透气孔，用干布擦去灰 尘和脏物，并每隔30-35天用沾有约10%的氨水或苏打水的抹 布清理电池表面，再用清水冲洗，最后再用洁净的干布擦干。10、禁止用电池短路的方法来检测蓄电池的带电情况，以防止发 生爆炸造成人员伤亡。11、充电室内应有