大容量電池組串聯(lián)充電均衡控制方法研究概要課件

1、多節(jié)鋰電池組充放電管理系統(tǒng) 第1頁，共35頁。目錄基本保護功能數(shù)據(jù)的采集電池管理系統(tǒng)的均衡功能推薦管理方案（14節(jié)單體電池串聯(lián)）第2頁，共35頁?；颈Ｗo功能過壓保護功能(OV)充電時，任一電池的電壓超過設定的值時，充電電壓自動減小，防止電池過充電。低壓保護功能(UV)放電時，任一電池的電壓低于設定值時，停止放電，防止電池過放電。高溫保護功能(OT)無論什么狀態(tài)，任一電池溫度超過設定值時，啟動管理系統(tǒng)，降低電池溫度；必要時斷開電路。低溫保護功能(UT)電池的溫度低于設定值時，啟動電池熱管理系統(tǒng)，提高電池溫度。過流保護功能(OC)充、放電時，電池的電流超過設定值，自動限制電流的增長。短路保護功能

2、(SC)充、放電時，遇到電池發(fā)生短路，自動切斷電路。第3頁，共35頁。數(shù)據(jù)的采集電池的電壓（V）、電池的電容（C）、電池的內(nèi)阻（R）是表征電池特性的主要參數(shù)，影響電池主要參數(shù)變化的主要使用條件是電池的溫度。所以，對電池的電壓、電容、內(nèi)阻和溫度的測量，是電池管理系統(tǒng)一個重點。第4頁，共35頁。一、電池的電壓電池的電壓主要指電池正負極間的端電壓。電池在充放電時會經(jīng)?？吹竭@樣的現(xiàn)象：充電時，斷開充電電源后，電壓在突然降低V后，還會繼續(xù)緩慢地下降；放電時，斷開放電負載后，電壓則在突然升高V后，還會繼續(xù)緩慢地升高。電池儲電很少，但電壓卻很高。然而放電一開始，電池的電壓就立刻降下來；或者電池儲電不多，電壓

3、也不高。但充電開始不久，電池的電壓就上升得很高，即使斷開充電電源，電池的電壓也沒有很明顯的下降。電池的電壓與使用條件，沒有確定的線性關系。不同充放電率、不同溫度、不同荷電狀態(tài)、不同使用歷程下的電池電壓，都是各不相同的。第5頁，共35頁。 以上現(xiàn)象的出現(xiàn)都是由于電池的極化引起的。我們知道，電池正極材料的電極電位a與負極材料的電極電位b之差，叫電池的電動勢（E）。當電池正負極在電解液中處于熱力學平衡狀態(tài)和電池沒有電流流過（i=0）時，此時的正負極電極電位之差，叫電池的靜態(tài)電動勢(Es)。即Es=a-b當電池有電流流過(i0)時，靜態(tài)電動勢(Es)就要下降一個值，電池的電壓變?yōu)閁，即：Es-U=或者

4、U=Es-。這個就叫做電池的極化。電池的極化第6頁，共35頁。電池極化的原因由于電池的電化學反應過程中要有能量損失、參與電化學反應物質(zhì)濃度的變化（濃差）也會引起電極電位的變化。此外，電池內(nèi)部還存著歐姆電阻，當有電流流過歐姆電阻時，也需要消耗能量。由電池電化學過程產(chǎn)生的極化和反應物質(zhì)濃度變化所引起的濃差極化，統(tǒng)稱電池電化學極化（e）；由歐姆電阻引起的極化叫歐姆極化（）。因此，電池的極化可表達為=e+。電池的歐姆極化服從歐姆定律。即電池電壓與電流成正比關系。電化學極化不服從歐姆定律，電池電壓與電流沒確定的關系。電池的極化是電流的函數(shù)，與流過電池的電流大小緊密相關。第7頁，共35頁。電池電壓的測量由

5、研究實驗表明，電池的電壓可以寫成：充電時：Uc=Es+e+IR放電時：Ud=Es-e-IR開路時：UsEs在電池開路狀態(tài)下測量的電池開路電壓Us，不一定等于電池的靜態(tài)電動勢Es。這是因為電池兩極在電解液中不一定處于熱力學的平衡狀態(tài)。特別是在剛結(jié)束充放電后的一段時間里所測量的電池開路電壓，與電池的電動勢相差甚遠。電池的電動勢很難直接用電工測量的方法測出。一般都是用計算方法估算電池的電動勢。第8頁，共35頁。電池電壓的測量電池的極化與流過電池電流的關系叫電池的極化曲線（I），如圖（一）所示：用實時測量電池正負極問電壓的方法，可以測量出按公式和所包含內(nèi)容的每一個單體電池的所有工況下的實時電壓，即電池

6、的電動勢與極化電壓之和。這對于全程實時監(jiān)控電池來說，電池的實時電壓是主要的參數(shù)。第9頁，共35頁。二、電池的容量電池的容量（C）是指從電池中獲得的電量，用Ah或mAh表示。一般規(guī)定，在電池充滿電的條件下，以一定的放電率放電，放到最低允許使用電壓時所能獲得的電量不同的放電率，電池有不同的容量。放電率越大，電池的容量越小。電池的額定容量是指電池生產(chǎn)廠家，在按規(guī)定充滿電的條件下，以規(guī)定的放電倍率放電，放到規(guī)定的最低允許使用電壓為止的放電量。第10頁，共35頁。容量的測量要準確測量電池的容量（C）/儲備能量（W）是很困難的。國內(nèi)外有許多專家得出了多種蓄電池儲備能量的估算法，但其共同的缺點都是，準確度低

7、、繁瑣而不實用。相對準確而實用、簡便而又可靠的的方法是，測量電池的實時電流I/A和與之對應的實時電壓U/V，通過測出的實時電流I和電壓U，很容易算出電池的實時電量和能量或以及電池容量/能量與時間的關系。電池容量/能量測量的基準:用常用放電倍率放電,當電池組中有某個電池的電壓降低到最低允許的使用電壓時,以此設為電池儲備容量/儲備能量的零點。用最佳充電率充電,當電池組中有某個電池的電壓達到最高允許的充里電壓、充電電流下降到較小的充電電流時,作為充滿電的條件定為電池儲備容量/儲備能量的最大值。第11頁，共35頁。容量的測量由于電池在充、放電過程中是有能量損失的，輸入的電量會大於輸出的電量。所以，必須

8、在充電時，把輸入的電量加以修正。一般乘上一個約相當于電池充放電總效率的修正系數(shù)即可。電池組的充放電效率，會隨著電池使用條件的改變而改變，所以，在使用一段時間后，還要進行修正。電池容量/能量測量的修正系數(shù)的校驗：在電池儲備容量/儲備能量零點的條件下充電,直到充滿電為止。放電,一直放到電池儲備容量儲備能量零點的設定條件為止。如果電池儲備容量/儲備能量的指示為零,說明所設定的修正系數(shù)是正確的.如果電量指示為正值時,說明所設定的修正系數(shù)過大如果余量為負值，說明所設定的修正系數(shù)過小第12頁，共35頁。三、電池的內(nèi)阻電池內(nèi)阻的影響：充放電時，消耗能量，使電池發(fā)熱，限制電池的電流，降低工作電壓；成組使用時，

9、內(nèi)阻一致性誤差的存在，使各單體電池的電壓或電流一致性變壞，導致電池使用壽命降低。電池內(nèi)阻的特性：電池的內(nèi)阻包括歐姆電阻（R）和電化學極化電阻（Re）兩種。歐姆電阻R服從歐姆定律，電化學極化電阻Re不服從歐姆定律。第13頁，共35頁。電池內(nèi)阻的測量電池內(nèi)阻的測量，一般有交流法和直流法兩種。但不管用那一種方法，所測得的都只是一定使用條件下電池的歐姆內(nèi)阻R。電池的電化學反應極化電阻Re是很難測量的。電池的內(nèi)阻一般在電池制造廠產(chǎn)品質(zhì)量檢測時逐個進行測量，在使用中是不便測量內(nèi)阻的。因為電池在使用中其內(nèi)阻是不可控參數(shù)，即使把它測量出來了，也無法去改變它，控制它。根據(jù)電池電壓降的大小就可以定性的判斷出電池內(nèi)

10、阻的大小，不必專門去測量電池的內(nèi)阻。第14頁，共35頁。四、電池的溫度電池溫度的影響：電池溫度對電池的容量、電壓、內(nèi)阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響。電池溫度過高，不僅會使電池性能變壞，壽命降低，而且還會發(fā)生安全事故。電池溫度過低，不僅會使電池性能變壞，而且還會使充放電發(fā)生困難。電池所處環(huán)境的溫度不同，電池的一致性變壞。第15頁，共35頁。電池溫度的測量電池溫度的測量應當測量每個單體電池內(nèi)部的溫度。但是，測量電池內(nèi)部的溫度是很困難的。所以一般可用測量電極柱表面溫度的方法測量電池的溫度。第16頁，共35頁。電池管理系統(tǒng)的均衡功能電池參數(shù)的不一致會對電池組的使用產(chǎn)生

11、嚴重影響，尤其是串聯(lián)電池組。在電池組中，電動勢越高、內(nèi)阻越大，充電時其充電電壓越高，放電時其放電電壓越低。為了防止過充、過放電，應當控制電池參數(shù)的最大、最小誤。當電池的電動勢E和內(nèi)阻存在誤差時，電池的電壓也存在同樣的誤差。超差的電池在充放電后期其電壓急劇變，內(nèi)阻也急劇上升，導致該電池過充、過放電。電池組可用容量僅由電池組中最小容量電池的容量決定。第17頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法分流法，也叫旁路法充電時，當某一電池的充電電壓超過設定值時，通過并聯(lián)在該電池的電阻分流該電池的一部分電流，從而達到降低該電池充電電壓的目的。其等效原理圖如圖所示：這種方案，結(jié)構(gòu)復朵，體積大，分流時發(fā)熱量大

12、，通用性差。所以，沒有推廣使用的價值。第18頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法切斷法充電時，當某一電池的充電電壓超過設定值時，通過自動控制開關切斷該電池的電路。等效電路原理圖如圖這種方法只能防止電池過壓充電，沒有均衡作用。其次它所用的切斷開關的負載能力，隨電池容量增加而加得很大，不宜采用。第19頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法并聯(lián)法所謂并聯(lián)法，就是把電池按先并后串的連接方式使用。這種方法的等效電路原理圖如圖所示電池并聯(lián)后，無法測量各單體電池的電壓，因而就無法實施對電池組中各單體電池的監(jiān)控。可見，用并聯(lián)法是無法實現(xiàn)電池組電池的均衡效果的。第20頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池

13、均衡方法能量回收法在充電時，當某一電池的充電電壓超過設定值時，通過升壓，如陶瓷變壓器，或儲能器件，如電容器，把該電池的部分能量送回充電回路，從而達到既降低該電池的充電電壓，又能回收能量的目的。這種方法存在上述第一和第二種方法的弊端，所以也不適宜用它去進行電池的均衡。第21頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法單充法所謂單充法，就是一個個電池或一組組電池單獨充電，每一個（組）電池分別控制。這種方法雖然不致于發(fā)生過充電現(xiàn)象，但是，這種方法不僅起不到均衡的作用，反而會引起加大電池的不一致性誤差。而且結(jié)構(gòu)也復雜，所以不宜推廣使用第22頁，共35頁。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法充、放電均衡裝置在充放

14、電時，經(jīng)常檢測各單體電池的電壓。當單體電池電壓差達到設定值時，就把高電壓電池的部分能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池上去，使得在充電時每個電池都能充滿，放電時每個電池的剩余能量大致相同。這種方法的弊端，和上述能量回收法的弊端大體相同，同時它違背了淺充淺放的最佳使用原則。所以沒有必要用這種充、放電均衡裝置去進行電池的均衡。第23頁，共35頁。推薦使用的電池管理系統(tǒng)均衡功能推薦“淺充淺放”使用電池的原則電池每充、放電一次，都要受到不同程度的損傷。容量下降，內(nèi)阻增加，壽命減少。尤其是在充、放電后期，對電池的損傷更大?！叭洹彪姷暮μ帲弘姵氐膿p傷大，充電效率低，能量損失多，充電時間長。“全放”電的害處：電池的損傷大

15、，放電效率低，能量損失多，電池一致性誤差加大。第24頁，共35頁。推薦管理方案（14節(jié)單體電池串聯(lián)）系統(tǒng)組成Intersil公司生產(chǎn)的鋰電池管理芯片ISL9216，ISL9217為AFE(模擬前端)單片機ATmega32為控制芯片雙通道真差分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAXl033為輔助鋰電池電壓采集Ic單總線溫度傳感器DSl8820為單節(jié)鋰電池溫度檢測Ic第25頁，共35頁。系統(tǒng)組成ISL9216，ISL9217是美國Intersil公司生產(chǎn)的兩款多節(jié)鋰電池串聯(lián)充放電管理IC，級聯(lián)起來可以對多達12節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的鋰電池組進行充放電管理，具有充放電過電流保護和放電短路電流保護，單節(jié)鋰電池電壓監(jiān)測，電池組

16、溫度監(jiān)測以及高達200 mA平衡電流的快速電量平衡等功能。對剩余兩節(jié)鋰電池的單體電壓監(jiān)測則由串行雙路真差分14位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAXl033完成由三個N溝道功率MOSFET Q2和Q3、Q1分別控制充電回路和放電回路的導通與關斷，ISL9216內(nèi)部集成的MOS-FET驅(qū)動電路每節(jié)鋰電池表面粘貼一個單總線溫度傳感器DSl8820，通過單總線即可與主控芯片ATmega32一起第26頁，共35頁。單體鋰電池電壓監(jiān)測以ISL9216，ISL9217為模擬前端級聯(lián)起來對前12節(jié)鋰電池單體電壓實時采集，MAXl033則負責剩余兩節(jié)鋰電池celll3、celll4的單體電壓采集。ISL9216負責celll-

17、cell5的電壓采集，ISL9217負責cell6-cell12的電壓采ISL9216、ISL9217是通過I2C總線級聯(lián)起來的，由于ISL9216、ISL9217供電電源不共地，存在30 v左右的電位差，所以，兩芯片間的I2C通訊必須經(jīng)過一級參考電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，即圖1中的RGO與HVI2C的連接。第27頁，共35頁。 第28頁，共35頁。充放電電流監(jiān)測本系統(tǒng)中，對鋰電池組的充放電過流保護、短路電流保護是通過控制ISL9216關斷充電回路開關管Q2和Q3、放電回路開關管Q1實現(xiàn)的(ISL9216內(nèi)部集成了MOSFET驅(qū)動電路)。SL9216提供多個可供用戶根據(jù)自身應用設定的電壓、電流和時間閾

18、值，他們包括4個放電過流閾值、4個短路回路閾值、4個充電過流閾值、4個過流延遲時間(充電)、4個過流延遲時間(放電)。電流的檢測是通過監(jiān)測串聯(lián)在充電回路、放電回路上的高精度電流檢測電阻Rcsence、Rdsencc上的電壓實現(xiàn)的。當充電回路或放電回路電流過大，而且持續(xù)時間超過了設定的延遲動作時間時，ISL9216可自動同時關斷開關管Q1、Q2和Q3。第29頁，共35頁。充放電電流監(jiān)測在放電過流保護或者短路保護后，為了避免在過流情況仍然存在的狀態(tài)下重新導通Q1，造成Q1不斷的振蕩通斷，ATmega32可以在Q1重新導通之前，啟動ISL9216內(nèi)部集成的負載監(jiān)測電路，如圖2所示，判斷過流情況是否仍然存在，若存在，則Q1維持關斷狀態(tài)，否則，重新導通Q1。同樣，在充電過流保護后，ATmega32亦可隨時恢復導通充電回路開關管Q2和Q3，需要注意的是，ISL9216并沒有提供對充電回路過流情況是否仍然存在的監(jiān)測。Q2和Q3