蓄電池充放電管理系統(tǒng)研究本科畢業(yè)論文

1、摘要電動(dòng)汽車(chē)是以動(dòng)力電池作為能源的環(huán)保型汽車(chē)，動(dòng)力電池的壽命是影響電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中一個(gè)方面就是：動(dòng)力蓄電池在制造過(guò)程中，由于制作工藝的差別，即使同一批次的電池，也不可避免的存在著差異，即容量上的差異。這種差異直表現(xiàn)在電池的端電壓上。在充電過(guò)程中，容量小的電池電壓上升比較快，即當(dāng)其它電池尚未充滿(mǎn)時(shí)，容量小的電池已經(jīng)充滿(mǎn)，繼續(xù)充電將會(huì)造成容量小的電池處于過(guò)充電狀態(tài)。這種差異的直接后果容量小的電池在充電過(guò)程中經(jīng)常處于過(guò)充狀態(tài)，在放電過(guò)程中處于過(guò)放狀態(tài)，致使壽命明顯縮短，從而導(dǎo)致整組蓄電池壽命降低。本文中采用串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的方法解決這一問(wèn)題，在充電過(guò)程中各個(gè)單體電池的聯(lián)接方式是并聯(lián)聯(lián)接的，當(dāng)檢

2、測(cè)到某個(gè)單體電池充滿(mǎn)電時(shí)，就把該單體電池從電池組中撤出來(lái)；在放電過(guò)程中各個(gè)單體電池的聯(lián)接方式是串聯(lián)的，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)單體電池的電量不足時(shí)，就把該單體電池從電池組中撤出來(lái)。實(shí)現(xiàn)這種串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的電路即使本文研究的重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電池 串并聯(lián)轉(zhuǎn)換 壽命 充放電管理abstract electric automobile is environment-friendly as it is operated by power battery, the life of which is the critical factor that affects the development of electric au

3、tomobile. one aspect is that in the process of manufacturing power battery, differences in workmanship lead to differences in battery capacity even the same batch will be no exception. the differences are manifest in the terminal voltage straightly. during charging, the small capacity batterys volta

4、ge rise quicker, that is, it need less time to reach full than the others. stop timely, or it will be over-charging. the immediate consequences of differences are that small capacity storage batteries are always over-charging in the charging process while over-discharging in the opposite process, wh

5、ich shorten lifespan evidently and of course life of the full group of storage battery will be influenced. in this article series-parallel connection transformation is used to solve this problem. during charging, each single battery is connected in parallel and if one of them is detected having been

6、 charged fully, it will be took out of the battery pack. in the discharging process, single batteries are in series connection and once some battery lacks power, it will be took out. this article emphasizes on the transformation of series parallel connection.key word: battery series-parallel connect

7、ion transformation life span charging and discharging management目錄摘要iabstractii緒論iv第一章 充電方式的選擇11.1 恒壓充電方式11.2恒流充電方式21.3兩階段充電方式31.4三階段充電方式31.5脈沖充電方式5第二章 單體電池電壓測(cè)量72.1目前幾種單體電池電壓測(cè)量方法72.1.1共模測(cè)量法72.1.2繼電器切換采樣法82.1.3開(kāi)關(guān)切換法92.1.4 v/f轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣法92.1.5浮動(dòng)地測(cè)量法102.2本為采用的單體電池電壓測(cè)量方法11第三章 均衡充放電管理133.1目前幾種常見(jiàn)的充放電管理方法133.

8、1.1涓流充電法133.1.2并聯(lián)電阻法133.1.3電容切換法143.1.4多繞組變壓器法143.1.5并聯(lián)dc/dc變流器法153.2本文采用的方法163.2.1放電過(guò)程的管理163.2.2充電過(guò)程的管理163.2.3充放電串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)183.3 基于protues的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換管理方式的仿真183.3.1繼電器的邏輯控制183.3.2 單體電池的模擬203.3.3 電壓比較器的應(yīng)用203.3.4串并聯(lián)電池充放電管理系統(tǒng)仿真圖213.4串并聯(lián)管理方法的改進(jìn)22總結(jié)與展望24致謝25參考文獻(xiàn)26緒論當(dāng)前，在電動(dòng)汽車(chē)的研制與產(chǎn)業(yè)化推廣過(guò)程中，動(dòng)力蓄電池的問(wèn)題成為最主要的制約因素。其中一個(gè)方面

9、就是：動(dòng)力蓄電池在制造過(guò)程中，由于制作工藝的差別，即使同一批次的電池，也不可避免的存在著差異，即容量上的差異。這種差異直表現(xiàn)在電池的端電壓上。在充電過(guò)程中，容量小的電池電壓上升比較快，即當(dāng)其它電池尚未充滿(mǎn)時(shí)，容量小的電池已經(jīng)充滿(mǎn)，繼續(xù)充電將會(huì)造成容量小的電池處于過(guò)充電狀態(tài)。這種差異的直接后果容量小的電池在充電過(guò)程中經(jīng)常處于過(guò)充狀態(tài)，在放電過(guò)程中處于過(guò)放狀態(tài)，致使壽命明顯縮短，從而導(dǎo)致整組蓄電池壽命降低。本文中從充電方式，單體電池的電壓測(cè)量這兩個(gè)問(wèn)題入手選擇一種適合串并聯(lián)轉(zhuǎn)換管路方法的充電方式，提出一種由差分放大器組成的減法電路來(lái)測(cè)量單體電池電壓的思路，最后提出串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的電池充放電管理方法。并

10、用protues進(jìn)行電路仿真。第一章 充電方式的選擇對(duì)于蓄電池而言，不同的充電控制策略對(duì)其壽命的影響也是不盡相同的。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境、不同的應(yīng)用場(chǎng)合，充電控制策略的選擇也是多式多樣的。目前常用的幾個(gè)充電控制策略有恒壓充電方式、恒流充電方式、兩階段充電方式、三階段充電方式以及脈沖充電方式和根據(jù)麥克斯韋理論來(lái)設(shè)定充電參數(shù)的綜合充電方式。下面對(duì)不同的充電方式一一介紹。1.1 恒壓充電方式 恒壓充電是保持電池的端電壓恒定值的一種充電方式。充電器的輸出電壓恒定，單節(jié)電池的端電壓為2v，一般將充電電壓設(shè)為2.35-2.5v之間，具體數(shù)值需要查看電池廠家的技術(shù)說(shuō)明書(shū)，并且需要根據(jù)具體環(huán)境和溫度等應(yīng)用條件相

11、搭配，取得一個(gè)較為準(zhǔn)確的充電電壓值。恒壓充電的充電電壓、電流波形如圖1-1所示。圖1-1 恒壓充電充電電壓電流波形 恒壓充電方式的明顯不足之處在于充電開(kāi)始的初期，由于電壓已經(jīng)恒定，又因?yàn)殡姵氐牡刃?nèi)阻非常的小，所以充電電流會(huì)很大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起極板彎曲、活性物質(zhì)脫落以及蓄電池的溫度異常升高，從而縮短蓄電池組的壽命。如果將恒壓值降低，雖然可以適當(dāng)減小初始電流的大小，但是蓄電池的充電時(shí)間會(huì)大大增加，而且可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法充滿(mǎn)的現(xiàn)象，從而造成蓄電池充電不足，同樣會(huì)縮短蓄電池的壽命。恒壓充電方式的好處在于電池充電電壓恒定，充電器的控制較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。因此。恒壓充電一般用在小容量、低電壓電池的充電場(chǎng)合。1

12、.2恒流充電方式 恒流充電與恒壓充電方式類(lèi)似，只不過(guò)恒定值為充電電流。而恒流充電又包括單一恒流充電方式和分段恒流充電方式。 單一恒流充電恒流值設(shè)定比較低，是為了避免充電到一定程度后，電流過(guò)大使得電池由于過(guò)充而損壞。單一恒流充電保持電流恒定不變直到充電結(jié)束，充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，導(dǎo)致充電過(guò)程中蓄電池內(nèi)部析氣較多，效率低。圖1-2單一恒流充電方式的電流電壓波形圖。圖1-2 單一恒流充電方式電壓電流波形 而分段恒流充電在一個(gè)充電周期中的充電電流是分段變化的，它根據(jù)充電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，先以較大的電流充電，并逐漸減小，電流呈階梯狀減小，這樣可以避免過(guò)充電，不過(guò)對(duì)控制參數(shù)的準(zhǔn)確性要求較高。如圖1-3示。圖1-3

13、 分段恒流充電方式電壓電流波形 恒流充電方式一般用在快速充電開(kāi)始前的涓流充電或者串聯(lián)電池組的小電流長(zhǎng)時(shí)間充電。1.3兩階段充電方式兩階段充電方式也是目前市面上相當(dāng)多的充電器所采取的一種充電策略。為了避免恒壓充電初始時(shí)大電流對(duì)蓄電池組電極的損壞現(xiàn)象，大多數(shù)電池廠商采取了這種恒壓限流充電方法。限制恒壓充電的初始充電電流，等待電池端電壓上升到設(shè)定的恒壓值，則進(jìn)入恒壓充電階段，這樣充電電流便會(huì)逐漸減小，直到充電過(guò)程結(jié)束。其電壓電流波形如圖1-4示。兩階段充電方式充電過(guò)程中，電解液中產(chǎn)生的氣泡很少，可以節(jié)省電能、抑制蓄電池的溫度上升趨勢(shì)、避免損壞電池極板。圖1-4 兩階段充電方式電壓電流波形1.4三階段

14、充電方式 三階段充電方式是由二階段（恒壓限流）方式發(fā)展而來(lái)的。在很多場(chǎng)合下，蓄電池并不是總處于工作狀態(tài)下的。而對(duì)于蓄電池組而言，即便是在不使用的狀態(tài)下，電池也會(huì)通過(guò)內(nèi)阻放電，容量也會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小。如圖1-5示。圖1-5 三階段充電方式電壓電流波形 所以在蓄電池兩端加上恒定電壓，便可以補(bǔ)償這種因?yàn)殡姵刈苑烹姸斐傻娜萘繐p失，這便是浮充階段。浮充階段類(lèi)似恒壓充電模式，不過(guò)這兩者的恒壓值是不相同的。它和恒壓充電的目的并不相同，它并不以恢復(fù)電池容量為目的。浮充更準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是蓄電池的一種運(yùn)行方式。它是直流電源系統(tǒng)中，與整流設(shè)備并聯(lián)，作為支持系統(tǒng)工作的后備電源的蓄電池工作方式。 蓄電池在浮充工作方式

15、下，充放電循環(huán)次數(shù)少，自放電和深放電的容量又能及時(shí)補(bǔ)充，活性物質(zhì)利用率高，使用壽命長(zhǎng)。浮充使用時(shí)蓄電池的充電電壓必須保持一恒定值，在該電壓下，充入的電量應(yīng)足以補(bǔ)償蓄電池由于自放電而損失的能量。同時(shí)，應(yīng)保證在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)使放過(guò)電的電池充足電，這樣就可以使蓄電池長(zhǎng)期處于充足電狀態(tài)，不會(huì)由于欠充電造成容量損失。另一方面，該電壓的選擇應(yīng)使蓄電池因過(guò)充而造成的損失達(dá)到最低程度。因此，選擇恰當(dāng)?shù)母〕潆妷簩?duì)蓄電池的使用壽命來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。對(duì)于vrla電池的浮充電，當(dāng)前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外均采用大致相同的辦法，浮充電壓通常選取2.23-2.28v。而且，修正浮充電壓值對(duì)延長(zhǎng)vrla蓄電池的壽命十分重要，浮充

16、電壓增加0.1v，蓄電池的壽命將減少近半。因此，選取浮充電壓一般選取廠家推薦的下限，且要根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償方法與均充電壓溫度補(bǔ)償一樣，以-4mv攝氏度為補(bǔ)償系數(shù)。為了使得浮充電壓更加的精確，多種間歇性浮充方式被提出。這種特殊的浮充方式是待到電池端壓降到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行浮充，到上限值停止，如此循環(huán)。便可以防止電池的損壞。1.5脈沖充電方式前面介紹的幾種充電方式如恒壓充電方式、恒流充電方式、兩階段充電方式以及三階段充電方式普遍存在的問(wèn)題是充電電流參數(shù)難以與具體的vrla電池取得一致。充電電流過(guò)大則會(huì)加速電池的析氣，使得電池失水。電流過(guò)小則加長(zhǎng)充電時(shí)間，可能造成電極硫酸鹽化。脈沖充電方式是一種針對(duì)v

17、rla電池比較先進(jìn)的充電技術(shù)。它對(duì)鉛酸電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程有較大影響，主要解決了鉛酸電池極化問(wèn)題和硫酸鹽沉積問(wèn)題。，脈沖充電方式如圖1-6示:圖1-6 脈沖充電方式電流電壓波形 采取脈沖充電可以較好的抑制極化的產(chǎn)生。電阻極化和電化學(xué)極化只需要等待充電電流下降到足夠小，便可以在微秒內(nèi)減小或者干脆消除。對(duì)于濃度差極化，在脈沖的間隔空閑時(shí)間區(qū)間內(nèi)，電解液濃度差不變，為離子擴(kuò)散創(chuàng)造了條件。若在充電過(guò)程中加入負(fù)脈沖，則可以使得vrla電池在充電過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)朝著與原來(lái)相反的方向進(jìn)行，離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向也相反，這樣便有利于消除充電過(guò)程中產(chǎn)生的濃度差。 如果充電電流是脈沖電流，則情況不同。脈沖電流則可以看

18、成是一系列頻率交流電流組成。由于集膚效應(yīng)，當(dāng)一定頻率的交流電流流過(guò)某一導(dǎo)體時(shí)，電流僅流過(guò)導(dǎo)體界面的外表面。充電電流頻率越高，則電流越集中在極板表面，積累在極板表面的硫酸能夠得到電子，充電反應(yīng)能夠進(jìn)行較充分，且抑制了析氫反應(yīng)的發(fā)生。這樣負(fù)極表面的硫酸鉛晶體能夠全部轉(zhuǎn)換為活性鉛。綜合考慮，在串并聯(lián)轉(zhuǎn)換時(shí)選擇脈沖充電方式。其實(shí)，脈沖電壓充電和恒壓充電方式在串并聯(lián)轉(zhuǎn)化的電路設(shè)計(jì)上沒(méi)有任何區(qū)別。但是在使用兩階段充電方式、三階段充電方式時(shí)由于在充電時(shí)要使用電流充電，所以在充電時(shí)，單體電池的聯(lián)接方式不能簡(jiǎn)單的并聯(lián)，要在恒流充電時(shí)把單體電池的聯(lián)接方式轉(zhuǎn)換為串聯(lián)。第二章 單體電池電壓測(cè)量本文中對(duì)于單體電池剩余電

19、量的估計(jì)是通過(guò)測(cè)量單體電池的電壓判斷的，當(dāng)單體電池的電壓高于某一值則認(rèn)為本單體電池電量充滿(mǎn)；當(dāng)單體電池的電壓低于某一值則認(rèn)為本單體電池的電量耗盡。對(duì)串聯(lián)的蓄電池，目前常用的幾種測(cè)量單體電池的方法有共模測(cè)量法、差模測(cè)量法。而差模測(cè)量法又分為開(kāi)關(guān)切換法、v/f轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣法以及浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量法。2.1目前幾種單體電池電壓測(cè)量方法2.1.1共模測(cè)量法共模測(cè)量是相對(duì)于同一個(gè)參考電位的，用精密電阻等比例衰減各測(cè)量點(diǎn)的電位，然后依次相減得到各節(jié)蓄電池單體電壓。在筆記本電腦的電池管理系統(tǒng)中就常用到此種測(cè)量方式。如圖2-1便是共模測(cè)量法，高精度的ad只用采集a、b兩點(diǎn)的電位，然后相減得到的便是e1兩端的電池

20、端壓。（b點(diǎn)在哪兒？圖中沒(méi)有）圖2-1 共模測(cè)量法 此方法電路比較簡(jiǎn)單可靠，但是測(cè)量精度卻不高。例如，32節(jié)標(biāo)稱(chēng)電壓為12v的蓄電池，單節(jié)電池測(cè)量精度為0.5%的測(cè)量系統(tǒng)，單節(jié)電池測(cè)量的絕對(duì)誤差為60mv,32節(jié)串聯(lián)累計(jì)的誤差就可以達(dá)到1.92v，顯然，其相對(duì)誤差可以達(dá)到16%，這個(gè)誤差在很多情況下是不容許的。這種方法也只適合串聯(lián)電池?cái)?shù)量較少或者對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。2.1.2繼電器切換采樣法差模測(cè)量法是通過(guò)電氣或者電子元件選通單體電池進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)量較多而且對(duì)測(cè)量精度要求較高時(shí)，一般采用差模測(cè)量方法。繼電器切換采樣法也屬于差模測(cè)量方式的一種。傳統(tǒng)的比較成熟的測(cè)量方法是用繼電器和大的電

21、解電容做成隔離處理，原理如圖2-2。圖2-2 繼電器切換采樣法 其基本的測(cè)量原理為：首先將繼電器閉合到1側(cè)，對(duì)電解電容進(jìn)行充電；測(cè)量時(shí)把繼電器閉合到2側(cè)，將電解電容和蓄電池隔離開(kāi)來(lái)，這樣只需測(cè)量電解電容上的電壓便可以得到相應(yīng)的蓄電池上的電壓，這個(gè)方法原理簡(jiǎn)單，并且造價(jià)低廉，不過(guò)繼電器動(dòng)作較慢，電解電容充放電太頻繁，使壽命會(huì)減少，可靠性不高。2.1.3開(kāi)關(guān)切換法這種方法與繼電器切換法比較相似。僅用一片ad芯片就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的單體電池電壓的測(cè)量，當(dāng)需要測(cè)量電池組中的某一節(jié)電池電壓時(shí)，只需要通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)組件接通ad轉(zhuǎn)換芯片即可。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。這種方法的缺點(diǎn)是需要利用很多開(kāi)關(guān)組件，控制較

22、為復(fù)雜，可靠性不高；此外，開(kāi)關(guān)一般采用mos構(gòu)成，其導(dǎo)通壓降不可忽略，這也會(huì)影響到測(cè)量精度，隨著mos的壓降可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，但是其補(bǔ)償精度有待驗(yàn)證。圖2-3 開(kāi)關(guān)切換法2.1.4 v/f轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣法v/f轉(zhuǎn)換的原理如圖2-4所示。其工作原理如下：?jiǎn)喂?jié)蓄電池采用分別采樣，取單節(jié)蓄電池的端電壓經(jīng)過(guò)分壓（降壓）后作為v/f轉(zhuǎn)換的輸入，分壓電阻的分散性可以通過(guò)v/f轉(zhuǎn)換電路調(diào)整。v/f轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)光電隔離器件送到模擬開(kāi)關(guān)，處理器通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)采集頻率信號(hào)。數(shù)據(jù)采集電路與數(shù)據(jù)處理電路采用光電隔離和變壓器隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩者之間電氣上的隔離。但是采用v/f轉(zhuǎn)換作為a/d轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度

23、慢、在小信號(hào)范圍內(nèi)線(xiàn)性差、精度低。圖2-4 v/f轉(zhuǎn)換無(wú)觸點(diǎn)采樣法2.1.5浮動(dòng)地測(cè)量法 由于串聯(lián)在一起的電池組總電壓達(dá)幾十伏，甚至上百伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬開(kāi)關(guān)的正常工作電壓，因此需要使地電位隨著測(cè)量的不同電池電壓時(shí)自動(dòng)浮動(dòng)來(lái)保證測(cè)量正常進(jìn)行。測(cè)量時(shí)窗口比較器自動(dòng)判斷當(dāng)前地電位是否合適。如果正好，啟動(dòng)ad進(jìn)行測(cè)量；如果太高或太低，則通過(guò)控制器經(jīng)過(guò)da對(duì)地電位進(jìn)行浮動(dòng)控制。其原理圖如圖2-5所示。圖2-5 浮動(dòng)地測(cè)量法每次工作時(shí)，先由模擬開(kāi)關(guān)選通，使其被測(cè)量電池兩端的電位信號(hào)接入測(cè)試電路，此信號(hào)一方面進(jìn)行差分放大，另一方面進(jìn)入窗口比較器，在窗口比較器中與固定電位vr相比較。從窗口比較器輸出的開(kāi)關(guān)量狀

24、態(tài)可識(shí)別出當(dāng)前測(cè)量地的電位是太高還是太低或者是正好（相對(duì)于vr）。如果正好，則可以啟動(dòng)a/d進(jìn)行測(cè)量。如果太高或太低，則通過(guò)控制器對(duì)地電位進(jìn)行浮動(dòng)控制。該方法雖然可以達(dá)到較高的測(cè)量精度，但是地電位經(jīng)常受現(xiàn)場(chǎng)干擾發(fā)生變化，不能對(duì)地電位進(jìn)行精度控制，影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。2.2本為采用的單體電池電壓測(cè)量方法用運(yùn)放lm358構(gòu)成加法電路，分別接到電池組的單體電池兩端，這樣便測(cè)得單體電池電壓，如圖2-6所示。圖2-6 運(yùn)放減法電路法由圖2-6可知：若：則：這樣便測(cè)量到單體單體電池的電壓。第三章 均衡充放電管理研究表明，蓄電池組的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如單電池，一般情況下，一旦電池組的某些單體出現(xiàn)壽命問(wèn)題后，

25、通常的做法是將整個(gè)電池組全部更換，這無(wú)疑會(huì)大大浪費(fèi)資源。由于電池個(gè)體間電化學(xué)狀況的不同，即使是在正常情況下反復(fù)進(jìn)行充電放電循環(huán)都會(huì)使這種差異不斷的擴(kuò)大。最終造成串聯(lián)的單體電池間充電水平和端電壓的嚴(yán)重不一致。充電過(guò)程中，這種不一致性造成了某些電池會(huì)比其他電池提前完成充電。繼續(xù)充電只會(huì)造成這部分電池過(guò)充電，析氣嚴(yán)重。類(lèi)似的，在充電過(guò)程中，電池組中的電池提前耗盡能量的繼續(xù)放電，這樣會(huì)造成這部分單體電池的深度放電，嚴(yán)重?fù)p壞電池的壽命。 如果缺乏有效的均衡管理系統(tǒng)，單體電池之間的不一致性就會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)大，也就意味著蓄電池組的壽命越來(lái)越短了。3.1目前幾種常見(jiàn)的充放電管理方法3.1.1涓流充電

26、法在充電一定程度后對(duì)串聯(lián)電池組持續(xù)用小電流充電。由于充電電流很小，這時(shí)的過(guò)充對(duì)滿(mǎn)充電池所帶來(lái)的影響并不嚴(yán)重。由于已經(jīng)充飽的電池沒(méi)辦法將更多的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，多余的能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。而對(duì)于沒(méi)有充滿(mǎn)的電池，卻能繼續(xù)接收電能，直至達(dá)到充滿(mǎn)電。這樣，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的周期。所有的電池將會(huì)達(dá)到充滿(mǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了容量均衡。但這種方法需要很長(zhǎng)的均衡充電時(shí)間，且消耗相當(dāng)大的能量來(lái)達(dá)到平衡。另外在放電均衡管理上，這種方法無(wú)能為力。3.1.2并聯(lián)電阻法給串聯(lián)電池組中的每個(gè)單體都并聯(lián)一個(gè)大電阻。電壓較高的電池將會(huì)在電阻上消耗較多的能量，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的電壓均衡。雖然這種方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)施也容易，但卻是以消耗大量能量為代價(jià)

27、。而且電阻值的大小確定也需要折中，太大均衡效果不明顯，太小功耗太大。 3.1.3電容切換法 這種方法利用串聯(lián)電容在電池組間來(lái)回切換來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓均衡充放電，如圖3-1 所示。通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的切換，最終使得相鄰兩節(jié)單體電池容量一致，此方法不會(huì)造成能量的消耗，比并聯(lián)電阻法的效率要高得多，但這種方法采用的單刀雙擲開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，系統(tǒng)還需要單體電池的測(cè)量，所以如果加入到系統(tǒng)中去，會(huì)使得測(cè)量電路更加復(fù)雜化。圖3-1 電容切換法3.1.4多繞組變壓器法該方法由多繞組的變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電池均衡。其典型結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。理論上，當(dāng)變壓器副邊繞組的匝數(shù)相等時(shí)，它們能提供的相同的電壓給各個(gè)電池單體充電，由此達(dá)到電

28、壓均衡充電的目的。但實(shí)際上，任何兩個(gè)相互耦合繞組之間的耦合系數(shù)都不為1，即在實(shí)際應(yīng)用后我們必須考慮到變壓器的遺漏，還有副邊繞組之間的互感，在這種情況下，即使變壓器兩邊繞組的匝數(shù)完全相同，它們也未必能提供相同的充電電壓。所以，這種方法最大的挑戰(zhàn)在于如何減小漏感和互感的影響，否則，其效果值得懷疑。圖3-2 多繞組變壓器法3.1.5并聯(lián)dc/dc變流器法該方法也是通過(guò)并聯(lián)分流模塊到單體電池上，完成整個(gè)電池組的均衡的。不同的是并聯(lián)的分流模塊是一個(gè)dc/dc變流器。最常見(jiàn)的并聯(lián)模塊為buck-boost變流器，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。這種模塊化的結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)擴(kuò)展容量，該方法的缺陷在于每個(gè)單體電池都需要并

29、聯(lián)一個(gè)模塊，成本較大且比較復(fù)雜。圖3-3 并聯(lián)dc/dc變流器法3.2本文采用的方法 在充電過(guò)程中，單體電池的聯(lián)接方式是并聯(lián)；在放電過(guò)程中，單體電池的聯(lián)接方式是串聯(lián)，串聯(lián)并聯(lián)的轉(zhuǎn)換是通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)的。之所以在充電放電時(shí)采用不同的聯(lián)接方式是因?yàn)樵诔浞烹姇r(shí)要對(duì)聯(lián)入的電池不同的管理。3.2.1放電過(guò)程的管理 單體電池的聯(lián)接方式采用串聯(lián)方式，當(dāng)某個(gè)單體電池的電量耗盡時(shí)，就從整個(gè)電池組中把這塊單體電池撤下來(lái)，這樣就不會(huì)造成對(duì)單體電池的過(guò)量消耗，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3-4所示。圖3-4 放電過(guò)程電路圖在正常情況下（所有電池的電量充足）雙擲開(kāi)關(guān)swn1均打到下方，使各個(gè)單體電池聯(lián)接到電池組中。假設(shè)單體電池bat

30、1放電達(dá)到額定電量下限時(shí)，sw11打到上方，sw12接通使得bat1從電池組中撤出來(lái)。從而不使得bat1過(guò)放電。3.2.2充電過(guò)程的管理 單體電池的聯(lián)接方式采用并聯(lián)方式如圖3-5所示，當(dāng)某個(gè)單體電池的電量達(dá)到額定充滿(mǎn)電量時(shí)就從整個(gè)電池組中把這個(gè)單體電池?cái)嚅_(kāi)，這樣就不會(huì)造成對(duì)單體電池的過(guò)充。圖3-5 充電過(guò)程電路圖在正常情況下（所有電池均需要充電）所有開(kāi)關(guān)均閉合，使各個(gè)單體電池聯(lián)接到電池組中。假設(shè)單體電池bat1充滿(mǎn)時(shí)，sw11、sw12均斷開(kāi)，便使得bat1從電池組中撤出來(lái)，從而不使得bat1過(guò)充。由于在充電過(guò)程中的需要充電的單體電池和電源是并聯(lián)的，所以在測(cè)量單體電池電壓時(shí)如果不采取措施，直接

31、測(cè)量單體電池兩端電壓，由于電源電壓高于單體電池電壓，所以測(cè)量的單體電池電壓都為電源電壓。所以改進(jìn)的充電電路如圖3-6所示。圖3-6 改進(jìn)后充電過(guò)程電路圖在充電過(guò)程中swn均斷開(kāi)，測(cè)量電壓時(shí)從cln點(diǎn)接入。在放電過(guò)程中swn均閉合使二極管短路。3.2.3充放電串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)這種在充放電時(shí)并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換時(shí)，也是使用這幾個(gè)繼電器和開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的如圖3-7所示。圖3-7 充放電串并聯(lián)轉(zhuǎn)化電路圖在充電過(guò)程中，swn1全部打到上方，swn2、swn斷開(kāi)；swn3、swn4閉合和斷開(kāi)由batn的電量決定。在放電過(guò)程中，swn、swn3、swn4全部斷開(kāi)；swn1、 swn2閉合和斷開(kāi)由batn的電量決定。

32、充放電的判斷可以從充電vcc兩端的電壓進(jìn)行判斷，若充電vcc兩端有電壓則認(rèn)為是充電；否則是放電。3.3 基于protues的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換管理方式的仿真3.3.1繼電器的邏輯控制在串并聯(lián)轉(zhuǎn)換充放電管理電路中，在電路層面開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)均是由繼電器控制；在邏輯層面開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)是由充電-放電、單體電池電量充足-不足這兩個(gè)變量控制。繼電器與單體電池聯(lián)接如圖3-8所示。圖3-8 繼電器邏輯控制圖設(shè)充電為邏輯1 電池電量不足為1；rl12、rl15、rl13、rl14閉合為1，rl11打到上面為1。則控制繼電器的真值表如表1所示。表1 繼電器控制真值表輸入輸出充放電（a）電壓（b）rl11rl12rl1

33、5rl13、rl14000010011110101000111001所以：3.3.2 單體電池的模擬原理如圖3-9所示。接入電池組的部分為a、b兩點(diǎn)，bat2為電壓源，rv2為滑動(dòng)變阻器，通過(guò)滑動(dòng)rv2來(lái)改變a、b兩點(diǎn)的電壓，繼而來(lái)模擬此單體電池電量的變化。圖3-9 單體電池的模擬3.3.3 電壓比較器的應(yīng)用在判斷電壓電池電量是否電量充足時(shí)，應(yīng)用電壓比較器，當(dāng)測(cè)量的單體電池電壓高于電壓比較器設(shè)定的電壓則認(rèn)為電壓充足；否則，電壓不足。原理如圖3-10所示。圖3-10 電壓比較器的應(yīng)用u3:a、r5、r6、r7、r8構(gòu)成減法電路，即前面所講本文所采用的單體電池的測(cè)量方法。u3：a輸出為電壓比較器u4:a的輸入，u4：a同向輸入端接的是1.5伏的電壓源，d2穩(wěn)壓值為5伏。當(dāng)反向輸入端的電壓低于1.5伏時(shí)比較器輸出5伏，否則輸出0伏。這樣比較器就構(gòu)成了一個(gè)單體電池電量是否充足的判決器。3.3.4串并聯(lián)電池充放電管理系統(tǒng)仿真圖仿真圖如圖3-11所示。圖中做了兩個(gè)單體單體電池組成的電池組的電路連接圖。圖中圈起來(lái)的a部分模擬電池組是放電狀態(tài)還是充電狀態(tài)；按鍵按下表示充電狀態(tài)反相器把信號(hào)傳給b部分的與門(mén)輸入端，b部分中的三個(gè)與門(mén)根據(jù)前文中的繼電器的邏輯控制連接電路，來(lái)控制繼電器。