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(yè)，共35頁(yè)。目錄基本保護(hù)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(yè)，共35頁(yè)?；颈Ｗo(hù)功能過壓保護(hù)功能(OV)充電時(shí)，任一電池的電壓超過設(shè)定的值時(shí)，充電電壓自動(dòng)減小，防止電池過充電。低壓保護(hù)功能(UV)放電時(shí)，任一電池的電壓低于設(shè)定值時(shí)，停止放電，防止電池過放電。高溫保護(hù)功能(OT)無論什么狀態(tài)，任一電池溫度超過設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)管理系統(tǒng)，降低電池溫度；必要時(shí)斷開電路。低溫保護(hù)功能(UT)電池的溫度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，提高電池溫度。過流保護(hù)功能(OC)充、放電時(shí)，電池的電流超過設(shè)定值，自動(dòng)限制電流的增長(zhǎng)。短路保護(hù)功能

2、(SC)充、放電時(shí)，遇到電池發(fā)生短路，自動(dòng)切斷電路。第3頁(yè)，共35頁(yè)。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(duì)電池的電壓、電容、內(nèi)阻和溫度的測(cè)量，是電池管理系統(tǒng)一個(gè)重點(diǎn)。第4頁(yè)，共35頁(yè)。一、電池的電壓電池的電壓主要指電池正負(fù)極間的端電壓。電池在充放電時(shí)會(huì)經(jīng)常看到這樣的現(xiàn)象：充電時(shí)，斷開充電電源后，電壓在突然降低V后，還會(huì)繼續(xù)緩慢地下降；放電時(shí)，斷開放電負(fù)載后，電壓則在突然升高V后，還會(huì)繼續(xù)緩慢地升高。電池儲(chǔ)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(chǔ)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(guān)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(yè)，共35頁(yè)。 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(fù)極材料的電極電位b之差，叫電池的電動(dòng)勢(shì)（E）。當(dāng)電池正負(fù)極在電解液中處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)和電池沒有電流流過（i=0）時(shí)，此時(shí)的正負(fù)極電極電位之差，叫電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)(Es)。即Es=a-b當(dāng)電池有電流流過(i0)時(shí)，靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)(Es)就要下降一個(gè)值，電池的電壓變?yōu)閁，即：Es-U=或者

4、U=Es-。這個(gè)就叫做電池的極化。電池的極化第6頁(yè)，共35頁(yè)。電池極化的原因由于電池的電化學(xué)反應(yīng)過程中要有能量損失、參與電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化（濃差）也會(huì)引起電極電位的變化。此外，電池內(nèi)部還存著歐姆電阻，當(dāng)有電流流過歐姆電阻時(shí)，也需要消耗能量。由電池電化學(xué)過程產(chǎn)生的極化和反應(yīng)物質(zhì)濃度變化所引起的濃差極化，統(tǒng)稱電池電化學(xué)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(dá)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(guān)系。電化學(xué)極化不服從歐姆定律，電池電壓與電流沒確定的關(guān)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(guān)。第7頁(yè)，共35頁(yè)。電池電壓的測(cè)量由

5、研究實(shí)驗(yàn)表明，電池的電壓可以寫成：充電時(shí)：Uc=Es+e+IR放電時(shí)：Ud=Es-e-IR開路時(shí)：UsEs在電池開路狀態(tài)下測(cè)量的電池開路電壓Us，不一定等于電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)Es。這是因?yàn)殡姵貎蓸O在電解液中不一定處于熱力學(xué)的平衡狀態(tài)。特別是在剛結(jié)束充放電后的一段時(shí)間里所測(cè)量的電池開路電壓，與電池的電動(dòng)勢(shì)相差甚遠(yuǎn)。電池的電動(dòng)勢(shì)很難直接用電工測(cè)量的方法測(cè)出。一般都是用計(jì)算方法估算電池的電動(dòng)勢(shì)。第8頁(yè)，共35頁(yè)。電池電壓的測(cè)量電池的極化與流過電池電流的關(guān)系叫電池的極化曲線（I），如圖（一）所示：用實(shí)時(shí)測(cè)量電池正負(fù)極問電壓的方法，可以測(cè)量出按公式和所包含內(nèi)容的每一個(gè)單體電池的所有工況下的實(shí)時(shí)電壓，即電池

6、的電動(dòng)勢(shì)與極化電壓之和。這對(duì)于全程實(shí)時(shí)監(jiān)控電池來說，電池的實(shí)時(shí)電壓是主要的參數(shù)。第9頁(yè)，共35頁(yè)。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(shí)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(yè)，共35頁(yè)。容量的測(cè)量要準(zhǔn)確測(cè)量電池的容量（C）/儲(chǔ)備能量（W）是很困難的。國(guó)內(nèi)外有許多專家得出了多種蓄電池儲(chǔ)備能量的估算法，但其共同的缺點(diǎn)都是，準(zhǔn)確度低

7、、繁瑣而不實(shí)用。相對(duì)準(zhǔn)確而實(shí)用、簡(jiǎn)便而又可靠的的方法是，測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電流I/A和與之對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓U/V，通過測(cè)出的實(shí)時(shí)電流I和電壓U，很容易算出電池的實(shí)時(shí)電量和能量或以及電池容量/能量與時(shí)間的關(guān)系。電池容量/能量測(cè)量的基準(zhǔn):用常用放電倍率放電,當(dāng)電池組中有某個(gè)電池的電壓降低到最低允許的使用電壓時(shí),以此設(shè)為電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的零點(diǎn)。用最佳充電率充電,當(dāng)電池組中有某個(gè)電池的電壓達(dá)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(shí),作為充滿電的條件定為電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的最大值。第11頁(yè)，共35頁(yè)。容量的測(cè)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(huì)大於輸出的電量。所以，必須

8、在充電時(shí)，把輸入的電量加以修正。一般乘上一個(gè)約相當(dāng)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(huì)隨著電池使用條件的改變而改變，所以，在使用一段時(shí)間后，還要進(jìn)行修正。電池容量/能量測(cè)量的修正系數(shù)的校驗(yàn)：在電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量零點(diǎn)的條件下充電,直到充滿電為止。放電,一直放到電池儲(chǔ)備容量?jī)?chǔ)備能量零點(diǎn)的設(shè)定條件為止。如果電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的指示為零,說明所設(shè)定的修正系數(shù)是正確的.如果電量指示為正值時(shí),說明所設(shè)定的修正系數(shù)過大如果余量為負(fù)值，說明所設(shè)定的修正系數(shù)過小第12頁(yè)，共35頁(yè)。三、電池的內(nèi)阻電池內(nèi)阻的影響：充放電時(shí)，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(shí)，

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(dǎo)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(xué)極化電阻（Re）兩種。歐姆電阻R服從歐姆定律，電化學(xué)極化電阻Re不服從歐姆定律。第13頁(yè)，共35頁(yè)。電池內(nèi)阻的測(cè)量電池內(nèi)阻的測(cè)量，一般有交流法和直流法兩種。但不管用那一種方法，所測(cè)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(xué)反應(yīng)極化電阻Re是很難測(cè)量的。電池的內(nèi)阻一般在電池制造廠產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)時(shí)逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，在使用中是不便測(cè)量?jī)?nèi)阻的。因?yàn)殡姵卦谑褂弥衅鋬?nèi)阻是不可控參數(shù)，即使把它測(cè)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(cè)量電池的內(nèi)阻。第14頁(yè)，共35頁(yè)。四、電池的溫度電池溫度的影響：電池溫度對(duì)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(huì)使電池性能變壞，壽命降低，而且還會(huì)發(fā)生安全事故。電池溫度過低，不僅會(huì)使電池性能變壞，而且還會(huì)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(yè)，共35頁(yè)。電池溫度的測(cè)量電池溫度的測(cè)量應(yīng)當(dāng)測(cè)量每個(gè)單體電池內(nèi)部的溫度。但是，測(cè)量電池內(nèi)部的溫度是很困難的。所以一般可用測(cè)量電極柱表面溫度的方法測(cè)量電池的溫度。第16頁(yè)，共35頁(yè)。電池管理系統(tǒng)的均衡功能電池參數(shù)的不一致會(huì)對(duì)電池組的使用產(chǎn)生

11、嚴(yán)重影響，尤其是串聯(lián)電池組。在電池組中，電動(dòng)勢(shì)越高、內(nèi)阻越大，充電時(shí)其充電電壓越高，放電時(shí)其放電電壓越低。為了防止過充、過放電，應(yīng)當(dāng)控制電池參數(shù)的最大、最小誤。當(dāng)電池的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻存在誤差時(shí)，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(dǎo)致該電池過充、過放電。電池組可用容量?jī)H由電池組中最小容量電池的容量決定。第17頁(yè)，共35頁(yè)。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(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，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(dá)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(fù)朵，體積大，分流時(shí)發(fā)熱量大

12、，通用性差。所以，沒有推廣使用的價(jià)值。第18頁(yè)，共35頁(yè)。曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法切斷法充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，通過自動(dòng)控制開關(guān)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(guān)的負(fù)載能力，隨電池容量增加而加得很大，不宜采用。第19頁(yè)，共35頁(yè)。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(cè)量各單體電池的電壓，因而就無法實(shí)施對(duì)電池組中各單體電池的監(jiān)控?？梢姡貌⒙?lián)法是無法實(shí)現(xiàn)電池組電池的均衡效果的。第20頁(yè)，共35頁(yè)。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(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過設(shè)定值時(shí)，通過升壓，如陶瓷變壓器，或儲(chǔ)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(dá)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(jìn)行電池的均衡。第21頁(yè)，共35頁(yè)。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(gè)個(gè)電池或一組組電池單獨(dú)充電，每一個(gè)（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(huì)引起加大電池的不一致性誤差。而且結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，所以不宜推廣使用第22頁(yè)，共35頁(yè)。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(shí)，經(jīng)常檢測(cè)各單體電池的電壓。當(dāng)單體電池電壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，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(shí)每個(gè)電池都能充滿，放電時(shí)每個(gè)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(shí)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(jìn)行電池的均衡。第23頁(yè)，共35頁(yè)。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(duì)電池的損傷更大。“全充”電的害處：電池的損傷大，充電效率低，能量損失多，充電時(shí)間長(zhǎng)。“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(yè)，共35頁(yè)。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(jī)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(cè)Ic第25頁(yè)，共35頁(yè)。系統(tǒng)組成ISL9216，ISL9217是美國(guó)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(jí)聯(lián)起來可以對(duì)多達(dá)12節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的鋰電池組進(jìn)行充放電管理，具有充放電過電流保護(hù)和放電短路電流保護(hù)，單節(jié)鋰電池電壓監(jiān)測(cè)，電池組

16、溫度監(jiān)測(cè)以及高達(dá)200 mA平衡電流的快速電量平衡等功能。對(duì)剩余兩節(jié)鋰電池的單體電壓監(jiān)測(cè)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(gè)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(dǎo)通與關(guān)斷，ISL9216內(nèi)部集成的MOS-FET驅(qū)動(dòng)電路每節(jié)鋰電池表面粘貼一個(gè)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(yè)，共35頁(yè)。單體鋰電池電壓監(jiān)測(cè)以ISL9216，ISL9217為模擬前端級(jí)聯(lián)起來對(duì)前12節(jié)鋰電池單體電壓實(shí)時(shí)采集，MAXl033則負(fù)責(zé)剩余兩節(jié)鋰電池celll3、celll4的單體電壓采集。ISL9216負(fù)責(zé)celll-

17、cell5的電壓采集，ISL9217負(fù)責(zé)cell6-cell12的電壓采ISL9216、ISL9217是通過I2C總線級(jí)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(jí)參考電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，即圖1中的RGO與HVI2C的連接。第27頁(yè)，共35頁(yè)。 第28頁(yè)，共35頁(yè)。充放電電流監(jiān)測(cè)本系統(tǒng)中，對(duì)鋰電池組的充放電過流保護(hù)、短路電流保護(hù)是通過控制ISL9216關(guān)斷充電回路開關(guān)管Q2和Q3、放電回路開關(guān)管Q1實(shí)現(xiàn)的(ISL9216內(nèi)部集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)電路)。SL9216提供多個(gè)可供用戶根據(jù)自身應(yīng)用設(shè)定的電壓、電流和時(shí)間閾

18、值，他們包括4個(gè)放電過流閾值、4個(gè)短路回路閾值、4個(gè)充電過流閾值、4個(gè)過流延遲時(shí)間(充電)、4個(gè)過流延遲時(shí)間(放電)。電流的檢測(cè)是通過監(jiān)測(cè)串聯(lián)在充電回路、放電回路上的高精度電流檢測(cè)電阻Rcsence、Rdsencc上的電壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)充電回路或放電回路電流過大，而且持續(xù)時(shí)間超過了設(shè)定的延遲動(dòng)作時(shí)間時(shí)，ISL9216可自動(dòng)同時(shí)關(guān)斷開關(guān)管Q1、Q2和Q3。第29頁(yè)，共35頁(yè)。充放電電流監(jiān)測(cè)在放電過流保護(hù)或者短路保護(hù)后，為了避免在過流情況仍然存在的狀態(tài)下重新導(dǎo)通Q1，造成Q1不斷的振蕩通斷，ATmega32可以在Q1重新導(dǎo)通之前，啟動(dòng)ISL9216內(nèi)部集成的負(fù)載監(jiān)測(cè)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(guān)斷狀態(tài)，否則，重新導(dǎo)通Q1。同樣，在充電過流保護(hù)后，ATmega32亦可隨時(shí)恢復(fù)導(dǎo)通充電回路開關(guān)管Q2和Q3，需要注意的是，ISL9216并沒有提供對(duì)充電回路過流情況是否仍然存在的監(jiān)測(cè)。Q2和Q3