作為移動設備主流電池產品，鋰電池電源逐漸往大功率、大電流、高電壓供電設備發展，這使得鋰電池往往需要串聯使用。由于電池制造過程中的初始性能（如自放電率、容量等）不一致以及使用過程中由于電池內外環境（如溫度）的不均勻造成老化速度不同[1]，使得電池的容量可能會不相同且它們之間的差異隨著使用時間增加，嚴重影響整個電池組的使用壽命及性能。
    為了充分利用串聯鋰電池組的全部電池容量，需要在充放電過程中進行電量均衡管理。一般采用分流損耗[2-3]和電量轉移的方法[4-7]。前者是通過在各單串電池并聯分流旁路對容量高的電池串進行放電損耗來進行均衡，這種方式電路結構簡單，但存在功率損耗大和發熱嚴重的問題；后者通常通過DC/DC隔離輸出電路將載荷高的電池電量轉移到較低的一串電池中，這種均衡輸出都是對單串電池充電，輸出電壓一般在4 V以下，整流損耗很大，通常效率低于80%，電路結構相對較為復雜，且需要隔離耦合。還有一種電量搬遷的方法[8]，把超級容量電容或另外一個電池作為中間載體，在電量高、低的兩串電池之間反復進行充放電切換實現均衡，但這種無源被動式充放電需要電池與中間載體電壓差在0.1 V，因此兩串電池之間電壓差在0.2 V以上，均衡偏差大，速度慢，很難跟上充電放電速度。本文設計分斷式均衡的鋰電池組電源管理系統，采用分斷/串接切換的方式實現對電池組的均衡管理，避免傳統均衡方式的能量損耗和轉換效率低的問題，同時在充電過程中借助DC電源線與充電器進行通信，以適應不同串數鋰電池組的充電電壓范圍。
1 系統總體結構設計
    鋰電池電源管理系統包括電池組電源模塊和充電電源模塊（充電器）。圖1所示為系統總體結構示意圖。兩個模塊均采用STC單片機作為微處理單元(MCU)。電壓檢測/控制電路定時對鋰電池組進行電壓采樣，并控制分斷/串接切換電路對電池組進行分斷均衡。充電過程中，電池組電源模塊通過脈沖信號調制電路將信息經DC電源線發送至充電電源模塊，由電流脈沖信號解調電路完成信號的檢測，實現兩模塊間的通信。同時，通過輸出電壓控制電路，根據鋰電池組的電壓狀態或不同串數，調節AC/DC開關電路輸出的充電電壓電流，實現安全、高效的充電。

2 系統主要電路設計
2.1 分斷/串接切換電路
    本設計采用分斷/串接切換電路對串聯鋰電池組進行均衡管理。其原理是各串電池能量差別較大時，將容量較低的電池串從電池組中分離斷開，閑置一定時間后再將它重新串接到電池組中，由此實現各串電池的均衡放電或充電。
    圖2所示為4串鋰電池組分斷/串接切換電路。每串鋰電池(B1～B4)均與一個單刀雙擲繼電器(S1～S4)連接。若電池組處于放電狀態，MCU將對最高電壓和最低電壓進行比較，如果差值ΔV超過設定的閾值，MCU控制相應的繼電器進行切換，使放電電流從繼電器另一觸點繞過，直至電壓差值ΔV小于閾值，再將它重新串入到電池組中再次工作。這樣，通過反復的檢測-分斷-串接過程，實現鋰電池組各串之間的放電均衡。

    若電池組處于充電狀態，當檢測到某串電池已經飽和時，為避免飽和的一串電池由于IC保護電路防止過充而關斷充電回路，則將該電池串分斷，充電電流繞過該電池串繼續給其他電池充電，從而解決了電池組充電均衡的問題。
    系統實際工作中，繼電器的觸點切換通常需要幾毫秒到十毫秒的時間。在這段時間里，為了避免出現供電電流中斷的情況，在各串電池間并聯一個二極管(D1～D4)。正常工作時，二極管處于反向截止狀態；而繼電器觸點切換期間，二極管保持正向導通，以保證電流持續輸出。
2.2 脈沖信號調制電路
    為實現電池組電源模塊和充電器之間的通信，本文采用了DC充電電源線傳輸電流脈沖信號的方法，無需增加專用的物理信道，操作方便。
    圖3所示為脈沖信號調制電路。整個電路由電阻Rd和MOS管Q0串聯組成，在電池組前端充電線上并聯接入。通信時，MCU控制MOS管Q0導通和關斷產生一定頻率（如1 kHz、2 kHz等）的脈沖電流，這些電流脈沖疊加在直流充電電流上，不同的頻率代表不同的控制信息。此外，為了防止電池組、Rd和MOS管Q0形成放電回路，在電池組前端加入二極管D0作為隔離。

2.3 電流脈沖信號解調電路
    DC電源線上電流脈沖信號的解調將采用瞬間脈沖電流與積分電流比較的方法。
    圖4所示為電流脈沖信號解調電路。Rs為電流采樣電阻，可以采集充電回路中的脈沖電流信號。比較器U4A同相輸入端與R12和R14組成分壓電路相連，反向輸入端則連接由R13和C4構成的RC積分電路。通常情況下，積分電流大于瞬間脈沖電流，即反相輸入端電壓略高于同相輸入端，使輸出端輸出低電平。當電流脈沖信號到來時，瞬間脈沖電流大于積分電流，輸出高電平。為了防止回路中干擾信號引起的電流抖動造成誤判斷，再加入一級比較器U4B。這樣就將電流脈沖信號還原成了原始頻率的控制信號。

3 軟件設計
    軟件程序設計分為充電器端和電池組電源模塊端兩部分。限于篇幅，本文只給出了電池組電源模塊主程序流程圖，如圖6所示。

4 實驗數據及性能分析
    圖7為4串鋰電池電源管理系統中各串電池在充放電狀態下的電壓值變化和均衡曲線。

    圖7(a)中，對初始電壓分別為3.85 V、3.76 V，3.81 V和3.82 V的4串電池B1～B4進行串聯充電。充電開始時，雖然電池串B2的電壓值最低，但由于其容量較其他電池串小，在100 min時，其電壓值先達到了4.20 V，MCU隨即將B2從電池組中分斷出來，剩余電池串則繼續充電。直至120 min時，整個串聯電池組完成充電。
    圖7（b）所示為放電均衡電壓曲線。實驗采用20 Ω恒定阻值的放電方式，且設定切換閾值≥0.1 V，每隔5 min檢測一次。由圖7（b）可知，電池串B2的初始電壓值最低，為4.10 V。隨著放電過程的進行，B2的電量消耗越來越快，電壓差值ΔV也越來越大。70 min時，B2電壓值(3.74 V)與B3電壓值(3.84 V)的差值ΔV達到0.1 V。此時，MCU控制繼電器分斷B2，停止其放電工作。5 min后，經再次檢測，B2電壓值(3.74 V)與最高電壓3.78 V差值小于0.1 V，則重新將其串入電池組中繼續參與放電。同理，在90 min和105 min時，B2和B1也分別被分斷閑置了5 min，達到了放電均衡的效果。
    實驗表明，采用分斷均衡的方式，避免了單串電池充電過快導致的電池組整體被迫停止充電的情況。而在放電過程中，電池組中最高電壓值與最低電壓值的差值ΔV始終控制在0.1 V內，有效防止了各電池串電能出現兩極分化的現象。
    本文針對串聯鋰電池組電源管理問題，設計了對低容量電池分斷的方式來進行串聯鋰電池組均衡，無需DC/DC隔離變換電路，避免了轉移過程中低壓DC輸出的低效率及其能量損失。同時實現了直接采用DC電源線兼備信號傳輸線的通信方法，既達到充電控制目的，又簡化了結構及操作。整個系統為提高電池組整體使用性能和壽命提供了一種行之有效的解決方案。
參考文獻
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