礦用鋰離子電池組典型充電電路設計

蘭 華

（太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

礦用鋰離子電池組典型充電電路設計

蘭 華

（太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

通過比較可礦用鋰離子電池組的充電方法及充電策略，介紹了一種典型鋰離子電池組充電電路，提出了幾種典型均衡充電電路。

鋰離子電池組；充電方法；均衡電路

隨著煤炭工業的高速發展，鋰離子電池在煤礦設備及各種便攜式設備中得到了廣泛應用，其充電技術也不斷更新和提高。然而用鋰離子電池替代鎳鉻、鎳氫電池不是簡單的“即插即用”，這是因為鋰離子電池與鎳鉻、鎳氫電池相比有一個最大的不同點：鋰離子電池嚴禁過充、過放電。鋰離子電池過充、過放電時，極易被損壞，嚴重的還會出現起火、爆炸等安全事故，甚至危及人的生命。因此，對鋰離子電池充電技術的研究日趨關鍵和緊迫。

由于單體鋰離子電池的標稱電壓為3.7 V或3.2V左右，而鋰離子電池越來越多的應用在煤礦礦燈、自控噴霧閥、便攜式設備等領域，這些領域大多需采用串聯的電池組來獲得較高的供電電壓，因此，本文著重介紹串聯鋰離子電池組的充電技術。

1 充電方法比較

串聯鋰離子電池組的充電方法主要有2種：串聯充電和并聯充電，見圖1和圖2。根據鋰離子電池自身的特性，其最適宜的充電策略為串聯兩階段充電。但無論采取哪種策略，只要是串聯充電就都存在電池在長期充放電過程中，電性能的離散問題，因此還必須加入均衡充電電路。充電方法比較：

串聯兩階段充電方法:特點是綜合恒流恒壓充電，優點是充電時間短、效率高。缺點是電路復雜，適用于鋰電池體系。

并聯充電方法：特點是每只電池獨立控制，優點是針對性好，電池均衡一致。缺點是結構復雜體積大成本高，也適用于鋰電池體系。

2 典型充電電路設計

串聯鋰離子電池組充電通常采用：先恒流充電再恒壓加均衡的充電策略。我們在礦燈和自控噴霧閥等設備中均采用此典型充電電路。

2.1 設計思路與基本原理

充電電路輸出特性由電流、電壓、單體電壓負反饋進行控制，在通過驅動功率器件實現所需的恒壓、恒流和單體電池限壓的控制。同時，設計一個均衡模塊對單體電池電壓進行均衡控制。

其中，驅動和保護電路模塊是最重要的模塊，擔負著充電器充電工作順利進行的重要任務。

而控制電路的作用主要在于對充電器的恒壓、恒流階段進行控制，即根據電池組的總電壓、總電流的限定值和單體電池的限制電流、電壓對充電器進行輸出控制，還有充電器的啟動控制。

電池電壓、電流檢測電路是控制充電的必要前提，檢測電路檢測到任一單體電池電壓（實測值）達到充電電壓上限（最大充電電壓預設值）時，充電策略從恒流方式切換到恒壓方式繼續充電，直到檢測到總電流（實測值）達到充電電流下限（最小充電電流預設值，如電池電量的1/20）時，停止充電。

2.2 均衡充電電路設計

對于串聯鋰離子電池組，要想獲得較長的壽命性能，必須采用均衡技術，在國內外這種技術已經得到完全認同，它主要解決單體鋰離子電池長期充放電過程中的離散現象。如果不采用均衡充電技術鋰離子電池的離散性將逐步擴大，使電池組內的單體電池出現過充或過放，大大降低了鋰離子電池組的壽命。

均衡充電電路有很多種，目前比較典型的均衡電路主要有以下幾種：

1）恒定分流電阻均衡充電原理，每個單體鋰離子電池上都并聯一個分流電阻。

2）通斷分流電阻均衡充電原理，它與恒定分流均衡充電的區別就是增加了一個通斷開關，這個開關的控制可以由單片機系統軟件來控制，也可以通過簡單的邏輯電路來控制。

3）開關電容均衡充電原理，順序開關驅動電路主要由時鐘電路構成，它驅動多路開關順序閉合，順序把單體鋰離子電池接入傳送電容器，通過傳送電容器傳遞各單體電池之間的不平衡能量。

4）降壓型變換器均衡充電原理。主回路是標準的降壓式調節器，在儲能電感上增加多組相同的次繞組，用于電池單體的輔助充電。顯然，電壓低的單體電池會從次繞組上得到更多的能量，電壓高的得到的能量少。

5）平均電池電壓均衡充電原理。其中放大器由單體電池供電，這種均衡充電控制電路是將單體電池電壓與平均電池電壓相比較，控制功率開關將電池電壓高于平均電壓的單體電池分流。

煤礦礦燈、自控噴霧閥采用了平均電池電壓均衡充電路，取得了良好的使用效果。

3 結束語

鋰離子電池是一種新型高能電池，已廣泛應用于礦用電液閥、自控噴霧閥、礦燈等設備上，并在煤礦更多領域展現出廣泛的應用前景。充電技術的更新與發展將進一步提高鋰離子電池的使用壽命和效率，改善其不穩定因素，反過來也將促進鋰離子電源事業的發展，從而加速鋰離子電池應用領域的更快發展。

目前針對鋰離子電池組充電特性的研究較少，還沒有一個精確的數學模型全面描述鋰離子電池組的充電過程，缺乏嚴密的數學分析，增加了電池組充電技術的不確定性。尤其是目前國內外的均衡電路還都存在這樣那樣的局限性，因此，鋰離子電池組充電技術的研究，尤其是均衡充電技術的研究將成為今后研究的重點。

[1]蘇力宏，喬生儒，肖軍.鋰離子電池的發展趨勢[J].電源技術應用，2004，（2）：110-113.

[2]高巖，潭玲生.鋰離子電池組充電器概述[J].電子元器件資訊，2008，（11）:56-58.

Typical Charge Circuit Design of Mining Li-ion Battery Series

LAN Hua
(College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024，China)

By the comparison of several mining charge methods and strategies of Li-ion battery series,the article introduces a typical charge circuit and several equalization charge circuits.

Li-ion battery series;charge method;equalization circuits

TD621；TD607

A

1672-5050（2010）11-0061-02

編輯：徐樹文

2010-09-19

蘭 華（1960—），女，四川瀘縣人，大學本科，高級實驗師，從事礦山機械設計研究與教學。