鋰離子動力電池無損充電機

郁百超，李嘉明

（1.湖北省電力信息通訊公司，武漢 430077；2.美國三磁電子公司 Visalia,CA.USA 93291）

引言

鋰離子電池由于單體電壓高、體積小、重量輕、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長等，是一種理想電源。在實際使用中，為了獲得更高的放電電壓，一般將至少兩只單體電池串聯組成電池組使用。目前，鋰離子電池組已廣泛應用于筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種領域，同時是方興未艾的電動汽車的最佳動力源[1]。

鋰離子蓄電池對充放電的要求，與鉛酸等可逆電化學反應類蓄電池完全不同。由于鋰離子蓄電池成組應用技術、系統集成關鍵技術和關鍵零部件及產品研究，嚴重滯后于鋰離子蓄電池的發展，電池成組后發生過充電、過放電、超溫和過流問題，致使成組鋰離子蓄電池使用壽命大幅縮短，安全性大幅下降，甚至發生燃燒、爆炸等惡性事故，已經成為制約鋰離子蓄電池產業發展的主要問題，也是當前節能與新能源汽車產業發展的技術瓶頸。

我國電動汽車技術發展到今天，在車用動力電池、電機、電傳動等領域，已經取得了一批不錯的成果。車用動力電池技術雖然還不是很成熟，但發展的速度與發達國家相比并不算慢。對電池單體進行測量時，顯示出的各項指標基本達到設計要求。但是，真正集成為一個動力總成，或者集成到整車上的時候，卻發現與單體測量時的情況有很大出入。車用動力電池總成并非將一個個單體電池串聯或并聯在一起就行了那么簡單。將數十個甚至上百個電池集成在一起，并將它們集成到車上，在世界范圍內都是一項高新技術，絕不是看起來那么容易的事情，有能力解決這一難題的單位或個人也不是太多。鋰離子蓄電池系統主要包括電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統，是一個函括多個技術領域和行業的高技術集成系統。

1 傳統充電方法[1]

1.1 串聯充電法

目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯充電，這主要是因為串聯充電結構簡單、成本較低、容易實現。但由于單體鋰離子電池在容量、內阻、衰減、自放電等性能存在差異，將100只放電容量都為100 Ah的鋰離子電池串聯起來組成電池組，但如果成組前其中99只單體鋰離子電池荷電80 Ah，另外1只單體鋰離子電池荷電100 Ah，將此電池組進行串聯充電時，其中荷電100 Ah的那只單體鋰離子電池會先充滿電，從而達到過充保護電壓，為了防止這只單體鋰離子電池被過充電，電池管理系統會將整個串聯充電電路切斷，也就使得其它99只電池無法充滿，從而整個電池組放電容量也就只有80 Ah。串聯充電的缺點是：要么電池組充不滿，浪費電池組的容量，要么產生過充，發生電池爆炸的危險。圖1是磷酸鐵鋰和錳酸鋰離子電池充電特性曲線，當前者端電壓充到3.8 V、后者端電壓充到4.5 V以上時，極有可能產生燃燒或爆炸。

圖1 磷酸鐵鋰和錳酸鋰離子電池充電特性曲線

1.2 電池管理系統和充電機協調配合串聯充電法

電池管理系統是對電池的性能和狀態了解最為全面的設備，所以將電池管理系統和充電機之間建立聯系，就能使充電機實時地了解電池的信息，從而更有效地解決電池在充電時產生一些的問題，但其仍屬串聯充電，因而繼承了串聯充電的一切缺點。

1.3 并聯充電法

串聯大電流加并聯小電流充電法：由于上述三種充電方法都存在問題，另發展出一種最適合高電壓電池組，特別是電動汽車電池組的充電方法，即采用電池管理系統和充電機協調配合、串聯大電流、恒壓限流的并聯小電流充電方法，這種充電法雖然綜合了上述三種充電法的優點，卻完全繼承了三者的所有缺點。

2 鋰離子動力電池無損充電機

鋰離子動力電池無損充電機采用整體串聯恒流、單體并聯恒壓的充電方法，對電池實現無損充電，無損的含意有兩層，一是充電效率接近100%，充電功率基本無損耗；二是充、放電完全依據電池的特性曲線（請參考圖1），電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機免除電池管理系統，僅由簡單的電路實現電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進行均衡充電，同時無易受干擾的復雜控制芯片和軟件，安全可靠，簡單實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統充電機的十分之一。

整體串聯恒流充電的含義是：對于電池整體，進行串聯充電，充電電源采用恒流恒壓直流電源；單體并聯恒壓控制的含義是：每個單體電池都直接并聯一個并聯穩壓電路，所有并聯穩壓電路直接串聯，可以理解為，對整體電池進行串聯恒流充電的同時，也對所有串聯的并聯電路進行串聯恒流充電，串聯充電電流是流經電池，還是流經并聯穩壓電路，取決于電池充電時的實時端電壓。并聯穩壓電路的輸出電壓調整為電池充電終止電壓值3.75 V，當某個與之并聯的單體電池端電壓充到此電壓值時，并聯電路啟動，串聯恒流充電電流流經并聯穩壓電路，而不再流經電池，該單體電池充電停止，其它單體電池繼續進行串聯恒流充電，仿佛串聯恒流充電對直接串聯的整體電池和直接串聯的并聯穩壓電路這兩個支路同時進行充電一樣，只不過充電的對象由并聯穩壓電路控制，因而得名單體并聯恒壓控制。上述整體串聯恒流充電、單體并聯恒壓控制的充電方法，具備串聯、并聯充電的所有優點，完全免除了串聯、并聯充電的所有缺點。當充電終了時，所有單體電池的端電壓都等于與之并聯的并聯穩壓電路的輸出電壓設定值3.75 V。鋰離子單體電池之間，本來在容量、內阻、衰減、自放電等性能上存在差異，經過無損充電后，個體之間的這種差異完全消失，當然再也不會發生過充、過熱現象。

2.1 無損充電機充電原理

圖2 左邊是無損充電機充電[4]的原理電路，其中E1=2.5 V，E2=2.0 V是單體鋰離子電池，V1是直流恒流恒壓電源，由 Q1，Q2，D1，R2和 Q3，Q4，D2，R3組成2個并聯穩壓電路Va和Vb，分別和電池E1，E2并聯。V1通過電阻R1直接對鋰離子電池E1，E2串聯充電，當有一個電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達并聯穩壓電路Va設定的穩壓值時，齊納二極管D1開通，并聯穩壓電路Va啟動，串聯充電電流流經三極管Q2，不再對E1充電，E1的端電壓也不再上升；與此同時串聯充電電流繼續對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電源V1才斷開，串聯恒流充電終止。

圖2 整體串聯恒流、單體并聯恒壓充電原理電路圖

圖2 右邊分別是鋰離子電池E1，E2充電電壓的仿真波形，E1從2.5 V開始充電，當其端電壓充到3.75 V后，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進入充滿和并聯穩壓狀態，V1繼續對E2充電；E2從2.0 V開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和E1的充電曲線重合，因為E2起始充電電壓較低，恒流充電時間較長，較后進入充滿和并聯穩壓狀態。

2.2 無損充電機放電原理

圖3 是無損充電機放電（包括充電）的原理電路，Q5控制充電電源V1的接入和斷開，Q6控制電池組的放電全過程。開關S3和S4連同控制邊的D3，R6和D5，R8組成兩個開關電路SW1和SW2，分別和單體電池E1，E2并聯， 在放電過程中，E1，E2的端電壓總是大于 D3，D5的擊穿電壓，開關 S3，S4閉合；同樣道理，開關S2的控制邊（包括D4，R7）和整個電池組并聯，在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大于D4的擊穿電壓，開關S2閉合。開關S1的控制邊通過電阻R5和開關 S2，S3，S4和整個電池組并聯，于是開關S1也閉合，驅動電壓V2加在Q6的柵源極，Q6導通，電池組向負載R4放電。

在放電過程中，當電池組中有一個單體電池，例如E1的端電壓低于額定放電電壓，即低于齊納二極管D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關斷，電池組放電終止。當電池組過放、過流或外部短路時，電池組端電壓小于D4的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，于是S1控制邊也失電，S1斷開，驅動電壓V2加不到Q6的柵極，Q6關斷，電池組停止放電，當過流或外部短路故障解除后，蓄電池組端電壓恢復正常，高于D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時單體電池若無過放電，則S3，S4閉合，于是 S1也閉合，V2加到 Q6的柵源極，Q6開通，電池組繼續對負載放電。

圖3 無損充電機放電原理電路圖

單體電池E1，連同與之并聯的并聯穩壓電路Va和開關電路SW1，構成一個基本單元，此基本單元可以任意級聯，對任意數目的鋰離子動力單體電池組成的電池組進行充放電。

(1)存貨信息不容易跟蹤，難以獲取。該模式常見商業場景包含三類：靜態貨物、動態貨物、倉單類。這些信息都很難及時的傳遞到商業銀行端。并且對于存貨有可能被調換的情況，存貨質量監督難度大的問題。并且在存貨的監管過程中，監管的權責分析也沒有那么明確，這也是存貨類融資面臨的問題。

2.3 電動轎車96 V鋰離子動力電池組

圖4 電動轎車96 V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形

圖4 是電動轎車96 V鋰離子動力電池組充電電壓的仿真波形，單體電池26個，端電壓3.7 V，26個單體電池端電壓從2 V到3.3 V不等，依次相差0.05 V，充電終了時，每個單體電池端電壓完全相等，都等于與每個單體電池并聯的穩壓電源輸出電壓的設定值3.75 V，單體電池充電終止端電壓，等于與其并聯的并聯穩壓電路輸出電壓的設定值，此設定值可以人為調整，所以單體電池充電終止端電壓可以人為控制，電動轎車96 V鋰離子動力電池組的充電電路請看參考文獻[5]。

電動轎車采用三相電機驅動，則鋰離子動力電池組端電壓為288 V，需3.7 V單體電池78個串聯，充電電路略顯復雜，但由于整個充電電路完全由相同的簡單電路級聯而成，且無大電流、高電壓開關的通斷操作，實現起來非常容易，具體電路和仿真波形請看參考文獻[4]。

2.4 恒流恒壓電源

圖5 恒流恒壓電源

圖2 中的充電電源V1是恒流恒壓電源，如圖5所示，左邊是恒流恒壓電源的實際電路，輸入電壓波形是整流后的饅頭波，中間是負載電阻R8輸出電流的仿真波形，右邊是負載電阻R8輸出電壓的仿真波形，負載電阻R8從8 Ω變到30 Ω，流經負載電阻R8的電流基本不變，其上電壓從50 V變化到200 V，負載電阻越大，輸出電壓越高，說明輸出電流具備恒流特性，但電阻R8上電壓有一個極限值，此值由MOS管Q29的柵極電壓，即由四個齊納二極管D21，D23，D24，D27的擊穿電壓界定。鋰離子電池組在整個充電過程中，最高電壓絕對不會超過此界定值，因此，充電安全可靠。

2.5 電壓切割電路

圖3 中的場效應管Q5控制充電電源V1的接入和斷開，對電池組進行恒流串聯充電，同時，對單體電池進行恒壓并聯控制，在成組恒流充電和單體并聯控制的過程中，恒流電源V1的輸出電壓是變化的，視各單體電池充電時的端電壓而定，這種變化反映在電阻R1上，當電池組電壓低時，電阻R1上的電壓高，反之電阻R1上的電壓就低，電阻R1上的電壓降因發熱而損耗掉。為了提高充電效率，把這部份功率通過功率變換，進行回授。圖6左邊的電壓切割電路就具備這種功能：變壓器TX1接在MOS管Q2的漏極，在Q2的柵極加方波驅動信號，即電壓切割信號，在其源極可得到穩定的直流輸出電壓Voa，在變壓器付邊得到回授電壓Vob。圖6右邊是電壓切割電路輸出電壓的仿真波形：從上到下依次是：輸入饅頭波電壓Vd、包絡為正弦波的方波驅動信號Vc、柵極輸出電壓Voa、變壓器付邊包絡為正弦波的雙邊帶電壓Vs、變壓器輸出電壓Vob。

上述恒流恒壓充電電源和電壓切割電路均出自綠色功率變換器 （專利申請號：201010130192X）中具體實施方式10和具體實施方式19，使得鋰離子動力電池無損充電機的效率接近100%，綠色功率變換器[2，3]免除了傳統功率變換器中的脈寬調制PWM技術，無高頻工作的功率器件，不產生EMI干擾，同時采用了對稱基元SBP（Symmetry Basic Primitive）、幅高調制 AHM（Amplitude High Modulate）和動態整流DR（Dynamic rectification)技術，只需把輸入功率中的很小一部份進行傳統功率變換，就可以獲得全部輸出功率，即輸出功率的絕大部份既不必進行傳統功率變換，也不必通過磁芯變壓器，輸入的交流電壓不必整流濾波，無大電感、大電容，因此功率因數為1，而總諧波畸變THD為零；變壓器付邊采用動態整流，可以獲得直流電壓，也可以獲得交流電壓，整機的電路復雜性、功率損耗和故障率都大為降低，可以取代傳統功率變換器在所有領域的應用，有關綠色功率變換器的詳細論述，請看參考文獻[3]。

圖6 電壓切割電路

3 鉛酸蓄電池無損充電機

充電電路與鋰離子動力電池無損充電機相同，不同之處是：

（1）并聯穩壓電路中的齊納二極管的擊穿電壓要與鉛酸蓄電池端電壓12 V相對應；

（2）串聯恒流充電電流要與鉛酸蓄電池的充電特性曲線相對應；

（3）串聯恒流充電電壓要與鉛酸蓄電池組的端電壓相對應。

圖7 是鉛酸蓄電池無損充電機充電曲線的仿真波形，可以看到，當蓄電池端電壓從8～10.6 V不等時開始充電后，端電壓高的單體電池先行到達充電終了值，然后成直線并保持到最后，端電壓低的單體電池最后到達充電終了值，無論是最低端電壓還是最高端電壓，也無論是其間的任意端電壓，它們最后均到達充電終了值，并保持到最后。

圖7 鉛酸蓄電池無損充電機充電特性曲線仿真波形

并聯充電在實際應用中幾乎是無法實現的，其效果可望不可及，而均衡充電必須有專門電路，在增加功率損耗和成本的同時，伴有電池荷電能力的下降；無損充電機采用簡單的串聯充電，不但達到了并聯充電的效果，而且還達到了均衡充電的效果，不但沒有荷電能力的下降，而且大大提升了電池的荷電能力。

4 結語

（1）無損充電機采用整體串聯恒流、單體并聯恒壓的充電方法，實現了對鋰離子動力電池的無損充電，實際進行的是串聯充電，卻產生了并聯充電的效果，充電全過程無過充、過熱，同時使均衡充電成為多余；

（2）無損充電機同時包括了放電電路，用弱電小開關，取代強電大電流，高電壓開關的通斷，使得放電電路安全可靠，當過放、過流或外部短路發生時，無延時地切斷鋰離子動力電池；

（3）無損充電機電路簡單，免除電池管理系統和各種復雜的控制芯片及軟件，而充放電性能卻大幅提升；

（4）無損充電機采用綠色功率變換器中的恒流恒壓電源和電壓切割原理進行串聯充電，充電功率直接取自市電，不必進行傳統功率變換，使得充電效率接近100%；

（5）單體電池充電終了時的端電壓，等于與其并聯的并聯穩壓電路輸出電壓的設定值，此設定值可以人為調整，因此，無損充電機適合對任意端電壓的各類蓄電池進行充放電；

（6）無損充電機解決了制約鋰離子蓄電池產業發展的主要問題，打破了當前節能與新能源汽車產業發展的瓶頸，使得鋰離子蓄電池真正集成為一個動力總成不再成為問題，同時也解決了有關這方面的一個世界難題。

[1]林道勇.高電壓鋰離子電池組的充電方法 [J].化學與物理電源，2010，（15）.

[2]郁百超.百超功率變換器的原理和應用 [A].第十八屆全國電源技術年會論文集[C].廈門，2009：301.

[3]郁百超.綠色功率變換器：中國，201010130192X[P].2010-03.

[4]郁百超.鋰離子動力電池無損充電機：中國，2010101741953[P].2010-05.

[5]陳全世等.先進電動汽車技術[M].北京：化學工業出版社，2007.