Design of a non-dissipative bi-directional charge/discharge equalization module for series-connected battery Strings
Abstract: Due to the cycle life shortening of series-connected battery Strings suffered from the charge unbalance under charge/discharge operations, charge equalization becomes an important consideration of charging technology on series connected batteries. In order to achieve the state of charge equalization, the battery voltage difference between batteries after charging should be minimized as possible. This paper proposed a non-dissipative bi-directional charge/discharge equalization module base on singlechip .The validity and effectiveness of this module is verified through experiments.
Keyword: series-connected battery Strings, charge/discharge equalization, singlechip

摘要：由于串联电池组充电时的不均衡，导致电池循环寿命缩短，均衡充电成为了串联电池组充电技术中重要的考虑因素。为改善串联电池组充电时的不平衡，应保证电池组中所有电池的电压都处在同一水平状态。本文设计一种用单片机控制的双向无损均衡充、放电模块，并通过实验验证了该模块的效果。
关键词：电池组；均衡充放电；单片机

0 前言
研究表明，安全有效的蓄电池充电方式是推动电动汽车普及的主要因素之一，要给电动汽车提供足够的动力，往往需要将多个蓄电池串连起来才能达到所需的电压值，该电压值要比单个电池的电压值要高出许多。为了使用方便，电池组在充电时是将其作为一个整体采用一个电源进行充电的。
由于单个电池的特性总存在差异，因此在充电过程中各电池的电压不尽相同，从而导致有的电池已经完全满充而有的电池则还没有充满电。在充电过程中，如果有一个电池发生过充电，输入的多余电量不仅不会储存在电池里，而是消耗在电解液中并致使电池发生过热，同时，由于电解作用产生的气泡会附着在电极上，从而减少电极与电解液的接触面积，降低充电的效率。另一方面，当充电终止时，各电池荷电未达均衡，又会导致放电的不均衡，甚至使得个别电池因深度放电引起极性颠倒，缩短了电池组的寿命。为了延长电池组的使用寿命,必须使所有的电池均保持在同样的充放电深度,即需对电池组进行均衡充放电。
1电池组的均衡充电方案分析
过去已经有许多对于电池组均衡充电技术的相关研究【1.2】，其中有的技术未能实现能量无损，有的则是通过一套电能转换装置来实现均衡充电，有的则是采用电能的多路输出方式，将多余的能量传送给总回路或者传递给相邻的电池。因此有的方案其电路组成和控制结构非常复杂，有的则需设专门的能量装换装置，因而使用面较窄。并且这些方案大都是以组为对象的集中控制方案，有的方案虽然解决了能量损耗问题，却存在结构复杂不易实现和维护不便等不足。
2．双向无损均衡原理
双向无损均衡充放电方案结构原理如图1所示，每个电池均衡分流电路均由两个场效应管Q、两个二极管D和一个储能元件电感 L 组成。（B）图画出的是三块电池串连时的电路连接情形。以充电为例，假设在均衡电路1中两电池电压出现不均衡，如V B1>V B2 ,则 Q11导通，电池B1向电感L1充电，当Q11截止时, L1为了续流，与B2、D12构成回路,电感中储存的能量就转移到B2中,实现了能量从B1到B2的转移。同理当V B1＜V B2时，则通过Q12的通断来实现能量从B2到B1的转移，即该电路是一种能量双向传递的均衡装置。尽管能量只在相邻电池间传递，由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上,因而最终实现整组电池的均衡。放电时，原理与充电时基本相同。
由于所有的均衡电路结构都是相同的，所以容易实现模块化的设计。
 
3.单片机控制双向均衡模块的设计【3】
欲延长电池组的使用寿命,充放电时应使所有的单个电池均保持在同样的荷电状态，而蓄电池的电压是电池不一致性最为直观也最容易测量的表现形式，所以，均衡充电的思想要旨是充放电过程中尽量使各电池保持在同一电平。
基于上述的原因，本设计采用的是以电压为比较参数，通过单片机的控制，实现电压高的电池把能量直接传递给电压低的电池。双向均衡模块的组成结构如图2所示。
 
图2  单片机控制双向均衡模块结构组成
其中，均衡电路用于实现相邻两电池间的能量平衡；参数采集电路对电池参数进行实时采集，主要采集的参数是电池端电压和温度，通过A/D转换后送给单片机，以便对电池进行实时监控；单片机在监测电池状态的同时还对均衡电路进行控制，一旦发现电池间电压差异达一定值，即给相应的场效应管送出触发脉冲，使其导通，电压高的电池给电感充电，场效应管截止时，电感储存的能量给电压低的电池补充充电。
4.单片机控制软件的设计
   均衡模块的控制关键是电池电压参数的采集和场效应管触发脉冲的输出以及电池状态的判断，控制软件在实现均衡充放电的同时还应能实现对电池过充电、过放电的指示保护，另外当电池温度超出其工作温度范围时也能及时输出保护指示。
   模块的单片机控制软件流程图如图3所示。
 

5.实验及结果分析
用2节12V/4Ah铅酸电池做对比实验，实验前分别将电池放电至电压不均衡,然后利用双向均衡模块做均衡充、放电实验，实验初始条件基本相同。实验结果见图4、5，由图可以看出，在无均衡情况下，充、放电的后期，电池间的电压差越来越大，而双向均衡模块在充放电过程中有效地缩小了两电池间的电压，尤其在充放电后期能避免电池过充电和过放电，保护了电池组。

6.结论
本文的创新点在于双向无损均衡充放电方案采用独立模块形式，工作时只需将（N-1）个模块连接在个数为N的电池组里，容易实现且方便维护，此外，在充放电过程中其自动地平衡相邻电池间的容量差异，保证了电池组中所有的电池在充放电过程中都处在同一水平,从而防止了电池的过充、过放,因而延长了电池组的工作寿命。另外，采用单片机控制方式，具有控制简单，容易实现和成本低廉等优点。实验结果表明这是一个有效的电路。

参考文献
[1] Kutkut, N.H.；Wiegman, H.L.N.； Divan, D.M.； Novotny, D.W.；
Charge equalization for an electric vehicle battery system 
Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on , Volume: 34 ，Jan. 1998，
Pages:235 – 246
[2] Hsieh, Y.C.；Moo, C.S.； Tsai, I.S.；
 Balance charging circuit for charge equalization
Power Conversion Conference, 2002. Volume: 3 ，April 2002 ，Pages:1138 – 1143
[3] 林枫，王月忠

作者简介：刘春梅（1975年4月），女，广西桂平人，北京工业大学硕士研究生，从事检测技术及自动化装置研究。
联系方式：北京市朝阳区平乐园100号教育部数字社区工程研究中心，邮编：100022
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朱世宁，男，硕士研究生导师。