锂电池的充放电均衡系统设计

锂电池的充放电均衡系统设计

作者：端木博文周子淳伏吕慧周灿鲁

来源：《环球市场》2018年第05期

摘要：由于在无人机、电动工具等设备中锂离子电池一致性较差且缺少有效的均衡保护，使得电池使用寿命缩短，储能效能降低。为了延长锂离子电池的使用寿命，提出在电源中添加的电源均衡管理系统。以防止锂电池组在充放电过程中因过冲、过放、输出电流过大、电池电量不均衡而造成的对锉离子电池的损害，以达到保护电池的目的。

关键词：锂电池保护；锂电池均衡

一、研究背景

为满足实际产品对供电的需求，锉电池在使用过程中经常需要把单体电池进行串联使之成为电池组才能提供足够的电压和驱动功率。由于串联电池组中单体电池的内部特性差异、工作环境以及使用次数的不同，从而造成电池组单体间产生不一致性。如果这种电池单体之间的差异项不能够得到有效的控制，这种差异性将会在电池的充放电循环过程中不断扩大，以电池组工作于放电状态为例，如图1所示，如果各电池荷电状态不一致，对于具有较大可用容量的蓄电池，全部放完，对蓄电池不会造成损伤，因此具有较多的循环使用次数，工作性能也比较稳定；而对于可用容量相对较小的蓄电池，在别的电池没有放完电的时候已经达到放电截止电压，若根据其他电池用电情况而继续放电，则会加快电池的老化速度，工作性能非常不稳定。因此，在经过多次循环之后就会发生所谓的“木桶效应”，即由于个别电池单体的失效而导致整个电池组无法正常工作，从而造成电池续航能力下降，严重影响电池组整体的储电能力、使用寿命以及安全性。因此为了有效延长蓄电池组的使用寿命，降低储能设备的使用和维护成本，对蓄电池组均衡充放电技术进行深入研究，设计有效的电池组均衡控制方法改善电池组的不一致性具有重要的工程应用价值。

二、DW01+锉电池保护电路设计

锂电池具有放电电流大、内阻低、寿数长等优点被人们广泛运用，锂离子电池在运用中禁止过充电、过放电、短路，不然将会使电池起火、爆破等危险结果。所以，在使用可充锂电池都需要设计锂电池保护电路来保证锂电池处于正常工作状态，来维护电芯的安全。

本文基于DW01+芯片设计了锂电池保护电路。DW01+芯片是锂电池保护专用芯片，只需少量的外部电路器件，便可实现锂电池的过冲保护、过放保护、欠压保护等功能等功能。图2为单节电池的保护电路设计图。

该电路主要由锂电池保护专用芯片DW01+，充、放电控制N沟道m。SFET等元件组成，单体锂电池接在B+和B-之间，电池包从P+和P-输出电压。

充电时，充电器输出电压接在P+和P-之间，电流从P+到单体电池的B+和B-，再经过充、放电控制m。s管到P-。在充电过程中，当单体锂电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DWOl+的OC脚输出信号使充电控制m。S管M2关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。在放电过程中，当单体锂电池的电压降到2.30V时，DW01+的OD脚输出信号使放电控制m。S管M1关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放而损坏。DW01+的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充、放电控制MOS管的导通压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW01+输出信号使充、放电控制MOS管迅速关断，从而实现过流或短路保护。

三、锉电池均衡电路设计

均衡的意义就是利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。一般情况下，充电时锂离子电池单体电压的偏差在50mV范围是完全可以接受的。负载消耗型均衡电路是一钟较为常用的电池均衡方案，也就是在每节电池上并联一个电阻，串联一个可控器件，当某节电池电压过高时，打开开关，充电电流通过电阻分流，这样电压高的电他充电电流小，电压低的电池充电电流大。（见图3）

本文基于TL431设计如上图所示的均衡电路。本电路通过调整R2、R3、R4三个个电阻的阻值可设定均衡点电压。当电源电压超过设定值时便开通TL431，通过功率电阻R1耗能来降低电池的电压，使其达到设定的均衡点。根据国内电动车及电动摩托车配备的均衡电路的实验数据来看，当均衡点取4.20V时，电阻的取值分别为：R1=68k，R2=100k，R3=4.3k效果较好。

四、结束语

本文设计锂电池充放电保护电路的电路简单、可扩展性强。实现了对电动车锂电池组高效精确均衡的功能。经过仿真实验表明本系统可以在充电过程中对电池组中单体电池进行高效精确均衡，不仅可以防止电压较高单体电池过充电，还可以实现对电压较低单体电池补偿充电。此外，该系统还可以用于电动车放电过程的均衡。

参考文献：

[1]郑杭波.新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现[D].北京：清华大学，2004.

[2]Aero EnvironmentInc.SmartGuard.http：//www.avincp3：com.

[3]吴铁洲，陈学广，张杰，孙杨.HEV锂离子串联电池组混合均衡策略研究[J].华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（2）：102-104.