本文提出了一種無(wú)損均充電路。均充模塊啟動(dòng)后，過(guò)充的電池會(huì)將多余的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。
1 電路設(shè)計(jì)
N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路，如圖3所示。圖中BTi是單體電池，Si是MOSFET，電感Li是儲(chǔ)能元件。Si、Li、Di構(gòu)成一個(gè)分流模塊Mi。
在一個(gè)充電周期中，電路工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：電壓檢測(cè)階段(時(shí)間?
Tv)和均充階段(時(shí)間為Tc)。在電壓檢測(cè)階段，均衡旁路電路不工作，主電源 對(duì)電池組充電，同時(shí)檢測(cè)電池組中的單體電池電壓，并根據(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來(lái) 控制開關(guān)狀態(tài)，對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。
除去連接在B1兩端的M1，所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔?，所有的分流模塊都會(huì)將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到上游電池中，而M1則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。
2 開關(guān)管占空比的計(jì)算
充電時(shí)電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)可由下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得出，其中V是電池的端電壓。
SOC=-0.24V 2+7.218V- 53.088 (1)
SOC是電池當(dāng)前容量與額定容量之比，SOC=Q/Q TOTAL×100%。
通過(guò)把電壓檢測(cè)階段末期檢測(cè)到的電池電壓轉(zhuǎn)化為荷電狀態(tài)，而單節(jié)電池的儲(chǔ)存容量Qest,n與SOC存在相應(yīng)的關(guān)系，Qest,n可以被估算出來(lái)。
在充電平衡階段，從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中，Tcep為一個(gè)充電周期內(nèi)均充階段的時(shí)間。為使在均充階段達(dá)到單節(jié)電池儲(chǔ)存容量的平衡，均充的目標(biāo)Q tar應(yīng)為：
(2)
但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉(zhuǎn)換是相互影響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算。不過(guò)，Gauss-Seidel迭代法可以解決這個(gè)問(wèn)題。
期望的儲(chǔ)存容量Q n可以用下式來(lái)計(jì)算：
(3)
其中，I dis,n是一個(gè)開關(guān)周期中的平均電流，I o^,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Q tar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達(dá)到均充時(shí)的電荷量，Q n是期望的儲(chǔ)存容量，取Q tar=Q n，即(2)、(3)相等。通過(guò)相應(yīng)換算，得到占空比 的計(jì)算公式：
(4)
這里的函數(shù)f N只是一個(gè)示意函數(shù)，表示D n和D 2...D 3存在一定關(guān)系。
3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證本文的均衡充電方法，以兩節(jié)單體電池組成的蓄電池組為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，主要驗(yàn)證旁路中開關(guān)管對(duì)電壓的調(diào)節(jié)作用。
由于沒有現(xiàn)成的蓄電池，需用替代電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。充電過(guò)程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化，并且充電過(guò)程中電池蓄積能量，根據(jù)對(duì)蓄電池的物理性質(zhì)的分析和相關(guān)資料，采用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代單體蓄電池來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
本實(shí)驗(yàn)中，選用兩個(gè)小功率NPN管C1815(Q1、Q2)來(lái)替代開關(guān)管，用89C51芯片的P1.0和P1.1腳控制Q1、Q2的開關(guān)。同時(shí)，蓄 電池的端電壓V1和V2由差動(dòng)放大電路采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到CPU。在整個(gè)過(guò)程中，電壓每20ms采樣一次，每隔1s上傳上位機(jī)并保存并自動(dòng)繪制曲線。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，充電開始時(shí)電壓相差為1.98V ，在經(jīng)過(guò)充電140s后，電壓相差值約為0.2V;在均充過(guò)程中，電池電壓有趨向一致的趨勢(shì)。均充方法能根據(jù)單體電池的差異，縮短蓄電池組之間的不一致性，使蓄電池組的整體性能得到提高，壽命延長(zhǎng)。
同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該方法也有效果不理想的地方，那就是兩節(jié)電池端電壓差值較大。究其原因，一是本實(shí)驗(yàn)中用“電阻串聯(lián)電容”來(lái)替代蓄電池，這和 真實(shí)的蓄電池存在差別，無(wú)法達(dá)到理想的模擬狀態(tài);二是本實(shí)驗(yàn)主要是檢驗(yàn)開關(guān)管的開關(guān)對(duì)電壓的均衡影響，在很多環(huán)節(jié)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些次要因素， 而這些因素也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。
