串联蓄电池组均衡充电系统

用蓄电池作为动力源的电动汽车在使用中可实现零污染, 因此, 它能有效解决汽车排污和能源问题[1]。铅酸蓄电池以其具有密封好、无污染等优点成为电动汽车的主动力源。一般的电动汽车都使用蓄电池组来提供动力，这些电池组由单体电池串联而成，这样就存在充电放时单体容量之间的不一致性问题，从而影响蓄电池的使用寿命和效能以及系统的可靠性。因此充放电时对蓄电池组进行均衡控制是十分必要的。

1 不一致性原因及解决方法

针对不一致性问题[2]的解决方法大致有四种：(1)在制造工艺上保证出厂质量，减小单体之间的差异性；(2)蓄电池组各蓄电池单体参数一致性的严格筛选；(3)使用过程中尽量使各单体处于相同的环境中，定时测量各蓄电池的电压分布情况，及时更换电压偏离正常值太大的蓄电池单体；(4)配置蓄电池组均衡充电系统。

通过分析很容易得到，前面三种方案虽然可行，但是会给厂家带来很大的压力。目前较为合理的方案是采用独立均衡充电系统，能有效减小单体在充电时的不一致性，让蓄电池的使用效能和寿命达到最大化。

2 单体容量不一致性的影响

组成电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性, 会使电池组中容量低的电池更容易过充电和过放电,致使电池组陷人电池极板硫化加剧、容量差距进一步扩大的恶性循环之中[3]。这不仅缩短了电池使用寿命, 还会因为电池极板硫化而使其内阻增大并使有效活性物质减少,导致电池组充放电能量转换效率、输出功率及电动汽车的动力性下降。

3 均衡方案

现今有很多均衡方法[4-6]，例如涓流均衡，此方案简单易行，但当电池组之间差异很大时，会使单体电池出现过充，严重影响电池寿命。放电均衡，只能在理想状态下使用，由于个体电池的物理差异，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。电阻并联均衡，电路结构简单，可靠性高，但此方案会带来严重的能量损耗，且不适合快充系统，在电池容量较大时存在电阻散热问题。通过分析研究现有均衡方案的优缺点,笔者研制了一种基于单片机控制、采用PWM分流法对电池的外部参数进行实时的检测和分析,实现均衡充电,从而克服电池间的不一致性，延长电池组的使用寿命，提高电池组使用效率。系统工作原理图如图1所示。

Q1(i=1~n); Di, Li(i=1~(n-1))构成一个分流模块，控制MOSFET来实现对电池的恒流充电、恒压充电以及浮充，将能量从电压高的电池转移到电压低的电池，从而实现均衡充电。通过实验验证，为了达到更好的均衡效果，在充电开始瞬间就应该开启独立均衡模块，使所有单体电池电压均衡到同一水平，然后再让所有单体电压以同一斜率上升直至电池容量达到最大[7]。
4 硬件电路的设计
独立均衡充电系统的硬件实现主要包括控制模块、检测模块、显示及报警模块等。控制模块是系统的核心，由LPC935单片机及其外围电路组成，包括单体电池电压、电流以及温度的数据采样和分析控制。电压检测电路中通过光耦隔离，降低了电池电压对电压采集电路的干扰，提高了系统的可靠性，为了防止涌浪电压损坏单片机的I/O口，采用了稳压电路。根据电路可得到输入与输出的关系表达式：
　
通过调节R26/R25的比值来获得合适范围内的输出电压VO。其中K为比例系数，通过实验可确定。图2为电压采集电路图。

电流检测电路由电流检测放大器芯片MAX4070和R13(5 m?赘精密电阻)构成。MAX4070共模输入范围从1.35 V~24 V，输出误差小于1.5%且与电源电压无关，这样即使测量一组已深度放电的电池时，也能保证精确的检测电流反馈。MAX4070选择100 V/V的增益。图3所示为单体电池电流检测电路。

温度检测电路由数字化传输的温度传感器DS18B20组成。当被检测的温度在-10~+85时，精度为±0.5℃，完全符合系统的设计要求。考虑到浮充电压与温度存在紧密的关系，浮充电压只要有5%的误差就足以使电池寿命缩短一半，因此温度测量的精度要求很高。一旦温度过高会对电极造成伤害，因此设计了一个报警系统。本系统采用-3 mV/℃的温度补偿系数(对于单层2 V电池）。由于采用线性补偿方式较阶梯补偿方式更为合理，因此采用线性补偿[7]。浮充电压与温度补偿关系为:
Vf=V1-(t-tb)×0.003 (2)
式中Vf为浮充电压；V1为标准温度tb下的浮充电压阈值[8]。t为电池充电时的温度。
MOSFET驱动电路如图4所示，通过设置参考值和检测值进行比较来决定MOSFET是否导通，如果MOSFET导通，电能储存在L1中，当MOSFET关断时，L1为了续流，这样就构成L1、B2、VD1回路，L1中的能量就转移到B2中，从而实现能量的转移。参考值的设定要通过实验来获得。电池组末端电池能量通过反激式变压器回到充电总线上。通过上述分析，能量总是从电压比参考值高的单体传递到比参考值低的单体上，这样避免了单体的过充或欠充现象的出现,很好地保护了蓄电池组。为了使储能的电感的能量在一个开关周期内不积累，在控制开关管时，应使占空比D≤0.5[9]。为了加快开关管的导通与关断速度，在电路中设计了负电荷吸收电路。

5 PWM分流实验
实验以三节不一致性较大的松下12 V/7AH蓄电池串联成36 V系统，温度补偿系数在原来2 V的基础上乘以6。采用一个48 V的直流电源模拟充电机。通过检测单体电池端电压变化情况来控制PWM分流。
采用三段式，即首先采用蓄电池可以接受的最大充电电流加速充电。在充电过程中实时检测蓄电池端电压的变化情况，当端电压快达到过充电压时，降低充电电流，避免过充电反应。然后，采用一恒定电压充电并检测充电电流，直到充电电流减小到0.05 A，表明蓄电池的容量已经恢复到100%，然后进行浮充以弥补蓄电池的自放电损失。
由表1的检测数据可以看出，在未采用分流法做实验时，在48V的充电电压下，各单体端电压存在较大差异性。充电开始后，三节蓄电池全部开始充电且充电电流相等，由于第一节电池初始电压较高，它的端电压上升迅速，当充电时间达到1 h后，电池端电压不再升高，表明电池容量达到最大，继续充电后第一节电池造成过充电现象，电池极板极化加剧，端电压开始下降。然而第二、三节电池由于初始电压较低，直到第一节电池端电压下降时，端电压还处在上升状态，表明第二、三节电池没有完全充满，存在欠充现象。通过数据分析可得出没有采用独立均衡系统的充电方法，会造成单体电池过充和欠充现象，导致电池的不一致性加剧，严重影响了电池的使用寿命和效能。其次通过分析表1可知，经过独立均衡系统后第二、三节电池的端电压上升，而第一节电池端电压有所下降，各节电池端电压逐渐趋于接近。

通过分析比较，蓄电池组充电时采用独立均衡系统时，各节电池的不一致性逐渐变小，同时达到充电终止电压，从而说明该方案是可行的。
最后为了验证整个系统的可靠性以及上述实验的准确性，本文还做了基于Matlab的仿真实验，仿真实验波形如图5所示。由仿真波形可见，三节电池初始端电压相差较大，其中电池a与电池b端电压相差较小所以较电池b与电池c先达到端