锂电池组内均衡电路的设计

锂电池组内均衡电路的设计

0同一电池组不一致由于电池能量高、使用寿命长、重量轻等优点，经常用作移动设备的电源。单体锂电池电压和容量较小，为了满足大功率用电设备电压和容量要求，需要将多个锂电池串联组成电池组使用。但由于同一电池组的单体电池容量不一致和自放电率不同等原因，导致充电时单体电池会出现过充或未充满，放电时容量小的电池先放完，继续放电则会导致过放甚至损坏。长期循环使用，必将加速电池组内部分单体电池容量的衰减，从而严重降低单体电池和整个锂电池组的可用容量，缩短使用寿命1锂电池组充电均衡电路设计均衡电路分为充电均衡电路、放电均衡电路和动态均衡电路。充电均衡是在锂电池组充电时，当单体电池电压达到设定电压，均衡电路通过减小充电电流，起到防止电池过充的作用，但充电均衡不能改善容量较小的电池过放的问题。放电均衡指的是在电池组放电时，通过增加低电压电池的电能以防止过放的发生，同样，放电均衡对防止单体电池过充没有作用。动态均衡是充电均衡和放电均衡两者的结合，是对电池组在充电和放电的全过程的电能均衡。现阶段采用的均衡控制方法较多，但按照电能在锂电池组均衡过程中的消耗情况，均衡电路分为能耗型与非能耗型均衡电路两种能耗型均衡电路也称为被动式均衡电路，每节电池上并联一个旁路电阻。除了对可靠性要求非常高的场合外，为防止旁路电阻始终处于通电耗能状态，旁路电阻需串联一个开关。只有需要对某一单体电池进行放电时，对应的旁路开关才接通。锂电池组充电过程中，单体电池电压或组内各电池平均电压达到设定值，触发均衡电路开始工作非能耗型均衡电路，即主动式均衡电路，是利用电感、电容等储能元件作为中间载体进行充电或放电，通过控制开关元件的通断将电能从电压高的电池转移到电压较低的电池中，以达到各单体电池电压均衡的目的。因其减少了电阻能量消耗，相对于能耗型均衡电路能量损耗小、效率高，但具有结构复杂、均衡速度较慢、效率和可靠性比能耗型低、成本较高等缺点本文设计的锂电池组均衡电路，因电池组只有12节电池，故采用非能耗型动态均衡电路，均衡电路结构简单、体积小巧、可靠性高，且能量损耗小。图1为12节串联锂电池组充电均衡电路图，当电源为串联电池组充电时，充电开关S要实现电池组内各单体电池电压相等，充电后就必须测量各单体电池的电压。任一时刻电路只能将一节单体电池接到总线测量其电压。以测量1#电池电压为例，将1#接入总线，开关S如有单节电池电压大于4V，接通均衡电路。通过正反向电能传输电路，先将电能最多的单体电池的多余电能输送给电能最少的单体电池，依次实现电能在单体电池间的转移，最终实现各单体电池电压均衡。当测得的最高单体电池电压≥4.25V时，充电开关S2正交向能源发送电路的工作原理2.1输出电压较低正向电能传输电路为Buck电路，即降压电路，特点是输出电压低于输入电压。以1#电池将电能输送给2#电池为例，在图2(a）所示的正向电能传输电路中，1#电池作为电源为电容C充电，其端电压U2.2直接生产电路反向电能传输电路为boost电路，即升压电路，此类电路的特点是输出电压比输入电压高。在图2(a）和2(b）中，S如图2(b）所示，当S3电容c：放电传输，转换电路假设电路充电后，1#电池电压为4.2V,2#电池电压为3.8V。由电压高的1#电池向电压低的2#电池转移电能，对两节电池之间的电能传输均衡电路进行仿真。在图3和图4中，单节电池的容量为2000μF，电容C的容量为220μF。在图3正向电能传输电路仿真图中，1#电池将电荷转移到电容C上。其中波形(1)代表电容C电压的变化，波形(2)表示正向电能传输过程中1#电池的电压，波形(3)为电感L的电流。可以看出，电能四次传输后，1#电池电压从4.2V降到了4.1122V，电容C上的电压从2V升为2.8715V。图4为电容C将电能转移向2号电池的反向电能传输电路仿真图，其中波形(1)代表2#电池的电压大小，波形(2)表示电容电压的变化，波形(3)为电感L的电流。从图4可以得出，经过五次电能传输后，C的电压从2.3V降到2.0874V，而2#电池的电压由3.8V升为3.8114V。4均衡电路的应用从以上仿真结果可以得出，电池组内单体电池电压不均衡时，采用本文设计的均衡电路，通过正反向