串聯蓄電池組均衡充電系統

用蓄電池作為動力源的電動汽車在使用中可實現零汙染, 因此, 它能有效解決汽車排汙和能源問題[1]。鉛酸蓄電池以其具有密封好、無汙染等優點成為電動汽車的主動力源。一般的電動汽車都使用蓄電池組來提供動力，這些電池組由單體電池串聯而成，這樣就存在充電放時單體容量之間的不一致性問題，從而影響蓄電池的使用壽命和效能以及系統的可靠性。因此充放電時對蓄電池組進行均衡控制是十分必要的。

1 不一致性原因及解決方法

針對不一致性問題[2]的解決方法大致有四種：(1)在製造工藝上保證出廠質量，減小單體之間的差異性；(2)蓄電池組各蓄電池單體參數一致性的嚴格篩選；(3)使用過程中儘量使各單體處於相同的環境中，定時測量各蓄電池的電壓分布情況，及時更換電壓偏離正常值太大的蓄電池單體；(4)配置蓄電池組均衡充電系統。

通過分析很容易得到，前面三種方案雖然可行，但是會給廠家帶來很大的壓力。目前較為合理的方案是採用獨立均衡充電系統，能有效減小單體在充電時的不一致性，讓蓄電池的使用效能和壽命達到最大化。

2 單體容量不一致性的影響

組成電池組的各電池的內阻、容量等參數的不一致性, 會使電池組中容量低的電池更容易過充電和過放電,致使電池組陷人電池極板硫化加劇、容量差距進一步擴大的惡性循環之中[3]。這不僅縮短了電池使用壽命, 還會因為電池極板硫化而使其內阻增大並使有效活性物質減少,導致電池組充放電能量轉換效率、輸出功率及電動汽車的動力性下降。

3 均衡方案

現今有很多均衡方法[4-6]，例如涓流均衡，此方案簡單易行，但當電池組之間差異很大時，會使單體電池出現過充，嚴重影響電池壽命。放電均衡，只能在理想狀態下使用，由於個體電池的物理差異，單體深度放電後難以達到完全一致的理想效果。即使放電後達到同一效果，在充電過程中也會出現新的不均衡。電阻並聯均衡，電路結構簡單，可靠性高，但此方案會帶來嚴重的能量損耗，且不適合快充系統，在電池容量較大時存在電阻散熱問題。通過分析研究現有均衡方案的優缺點,筆者研製了一種基於單片機控制、採用PWM分流法對電池的外部參數進行實時的檢測和分析,實現均衡充電,從而克服電池間的不一致性，延長電池組的使用壽命，提高電池組使用效率。系統工作原理圖如圖1所示。

Q1(i=1~n); Di, Li(i=1~(n-1))構成一個分流模塊，控制MOSFET來實現對電池的恆流充電、恆壓充電以及浮充，將能量從電壓高的電池轉移到電壓低的電池，從而實現均衡充電。通過實驗驗證，為了達到更好的均衡效果，在充電開始瞬間就應該開啟獨立均衡模塊，使所有單體電池電壓均衡到同一水平，然後再讓所有單體電壓以同一斜率上升直至電池容量達到最大[7]。
4 硬體電路的設計
獨立均衡充電系統的硬體實現主要包括控制模塊、檢測模塊、顯示及報警模塊等。控制模塊是系統的核心，由LPC935單片機及其外圍電路組成，包括單體電池電壓、電流以及溫度的數據採樣和分析控制。電壓檢測電路中通過光耦隔離，降低了電池電壓對電壓採集電路的幹擾，提高了系統的可靠性，為了防止湧浪電壓損壞單片機的I/O口，採用了穩壓電路。根據電路可得到輸入與輸出的關係表達式：
　
通過調節R26/R25的比值來獲得合適範圍內的輸出電壓VO。其中K為比例係數，通過實驗可確定。圖2為電壓採集電路圖。

電流檢測電路由電流檢測放大器晶片MAX4070和R13(5 m?贅精密電阻)構成。MAX4070共模輸入範圍從1.35 V~24 V，輸出誤差小於1.5%且與電源電壓無關，這樣即使測量一組已深度放電的電池時，也能保證精確的檢測電流反饋。MAX4070選擇100 V/V的增益。圖3所示為單體電池電流檢測電路。

溫度檢測電路由數位化傳輸的溫度傳感器DS18B20組成。當被檢測的溫度在-10~+85時，精度為±0.5℃，完全符合系統的設計要求。考慮到浮充電壓與溫度存在緊密的關係，浮充電壓只要有5%的誤差就足以使電池壽命縮短一半，因此溫度測量的精度要求很高。一旦溫度過高會對電極造成傷害，因此設計了一個報警系統。本系統採用-3 mV/℃的溫度補償係數(對於單層2 V電池）。由於採用線性補償方式較階梯補償方式更為合理，因此採用線性補償[7]。浮充電壓與溫度補償關係為:
Vf=V1-(t-tb)×0.003 (2)
式中Vf為浮充電壓；V1為標準溫度tb下的浮充電壓閾值[8]。t為電池充電時的溫度。
MOSFET驅動電路如圖4所示，通過設置參考值和檢測值進行比較來決定MOSFET是否導通，如果MOSFET導通，電能儲存在L1中，當MOSFET關斷時，L1為了續流，這樣就構成L1、B2、VD1迴路，L1中的能量就轉移到B2中，從而實現能量的轉移。參考值的設定要通過實驗來獲得。電池組末端電池能量通過反激式變壓器回到充電總線上。通過上述分析，能量總是從電壓比參考值高的單體傳遞到比參考值低的單體上，這樣避免了單體的過充或欠充現象的出現,很好地保護了蓄電池組。為了使儲能的電感的能量在一個開關周期內不積累，在控制開關管時，應使佔空比D≤0.5[9]。為了加快開關管的導通與關斷速度，在電路中設計了負電荷吸收電路。

5 PWM分流實驗
實驗以三節不一致性較大的松下12 V/7AH蓄電池串聯成36 V系統，溫度補償係數在原來2 V的基礎上乘以6。採用一個48 V的直流電源模擬充電機。通過檢測單體電池端電壓變化情況來控制PWM分流。
採用三段式，即首先採用蓄電池可以接受的最大充電電流加速充電。在充電過程中實時檢測蓄電池端電壓的變化情況，當端電壓快達到過充電壓時，降低充電電流，避免過充電反應。然後，採用一恆定電壓充電並檢測充電電流，直到充電電流減小到0.05 A，表明蓄電池的容量已經恢復到100%，然後進行浮充以彌補蓄電池的自放電損失。
由表1的檢測數據可以看出，在未採用分流法做實驗時，在48V的充電電壓下，各單體端電壓存在較大差異性。充電開始後，三節蓄電池全部開始充電且充電電流相等，由於第一節電池初始電壓較高，它的端電壓上升迅速，當充電時間達到1 h後，電池端電壓不再升高，表明電池容量達到最大，繼續充電後第一節電池造成過充電現象，電池極板極化加劇，端電壓開始下降。然而第二、三節電池由於初始電壓較低，直到第一節電池端電壓下降時，端電壓還處在上升狀態，表明第二、三節電池沒有完全充滿，存在欠充現象。通過數據分析可得出沒有採用獨立均衡系統的充電方法，會造成單體電池過充和欠充現象，導致電池的不一致性加劇，嚴重影響了電池的使用壽命和效能。其次通過分析表1可知，經過獨立均衡系統後第二、三節電池的端電壓上升，而第一節電池端電壓有所下降，各節電池端電壓逐漸趨於接近。

通過分析比較，蓄電池組充電時採用獨立均衡系統時，各節電池的不一致性逐漸變小，同時達到充電終止電壓，從而說明該方案是可行的。
最後為了驗證整個系統的可靠性以及上述實驗的準確性，本文還做了基於Matlab的仿真實驗，仿真實驗波形如圖5所示。由仿真波形可見，三節電池初始端電壓相差較大，其中電池a與電池b端電壓相差較小所以較電池b與電池c先達到端

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