串联蓄电池组均衡充电系统

摘  要： 分析了蓄电池不一致性的原因，在此基础上，设计了一种简单、实用、高效的均衡充电系统。在电池组充电时实施PWM分流，实时监测控制各单体的工作情况。通过独立均衡模块，实现蓄电池组的均衡充电，克服单体间的不一致性。该方法可大大延长电池的使用寿命，实验验证了该方案的可行性。
关键词： 蓄电池组； 独立均衡模块； PWM分流
       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。