电池_品慧电子

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　　汽车一直是朝着舒适便捷的交通工具的方向发展的。但在东日本大地震中，把汽车作为应急发电装置和蓄电装置的使用案例层出不穷。汽车可不可以作为新型“电源”，成为未来社会基础设施的一部分呢？本连载将分三次，思考汽车的能量源问题。（第一回参见此处）

　　在配备大容量驱动蓄电池的混合动力车（HEV）、插电混合动力车（PHEV）及电动汽车（EV）实现普及之后，这些车辆能否作为巨大的蓄电装置加以充分利用呢？业内提出了将汽车与住宅，或者将汽车与电网双向连接，由此来交换电力的“V2H（Vehicle to Home）”及“V2G（Vehicle to Grid）”构想，有关探讨正日趋活跃。

　　说起来，这原本是美国构筑新一代电网即“智能电网”时迅速升温的话题。当PHEV及EV实现普及时，就很有可能会出现用户回家后在夜间开始充电的情况。从美国看，其电网大多趋于老化，要想满足用户同时充电的需求，就必须要采取在电线杆上增设变压器等成本投入非常大的对策。

　　作为防止成本上升的方法，电力企业开始研究通过管理和控制来尽量防止用户同时为车辆充电，从而避免电网承受过大负荷。不过，在智能电网兴起的同时，有设想认为，既然要对充电进行管理，所以不妨在电网电力不足时，或者在使发电量变动大的风力及太阳能等可再生能源的电力平稳化用途上，充分利用车辆的蓄电池。

日本汽车厂商态度积极

　　这一构想也在计划普及电动车辆的欧洲和中国兴起，在全球范围内形成了探讨之势。但遗憾的是，在发生大地震之前的日本，电力公司却一直坚持“日本的电网质量高。因此没必要用电动车辆供电”的立场。而且，日本的汽车厂商当初也认为在行驶用途以外用车辆蓄电池供电容易引起电池的劣化，存在“谁来保证蓄电池质量”等大问题，所以没有积极参与。

　　不过，随着这一构想在欧美及中国兴起，日本汽车厂商的观念在近一两年发生了改观，态度日趋积极。其原因在于，汽车厂商认识到对于通过车辆来供电的事宜，应该让汽车厂商来掌握主导权。在日本经济产业省实施的“新一代能源及社会系统实证地区”项目中，丰田及日产将启动实证试验。

　　丰田和日产正分别在爱知县丰田市和神奈川县横浜市启动实证试验。丰田计划向普通消费者实际销售70户带蓄电池的住宅，向各户出租配有可充放电的蓄电池的PHEV及EV，收集数据实施验证。

　　丰田的实验的特点在于将“汽车与住宅”的组合视为最小单位，首先以构筑可实现V2H的系统为目标。而且，丰田为了强化汽车与住宅的联动，还强化了住宅部门的实力。2010年10月，丰田将旗下住宅事业部并入丰田住宅公司（Toyota Housing），并且电装、爱信精机、丰田自动织机等丰田旗下9公司还向丰田住宅实施了新的出资。

丰田的目标是在配有可充放电的蓄电池的电动车辆与带蓄电池的住宅之间实施综合控制。本图摘自《日经电子》2010年11月1日刊特辑“从住宅起步的蓄能社会”。

以“群”为单位充分利用EV

　　日产则在2010年12月快速推出了量产EV“LEAF”（中国名：聆风），并启动了利用EV的验证活动。日产打算不仅实现汽车与住宅的联动，而且还考虑以“群”为单位对EV实施控制。“现实中的汽车有7成都处于泊车状态”（日产），因此通过与泊车状态的EV交换电力，不仅是住宅，还可为写字楼及地区的电力稳定化做出贡献。而且，日产认为可对EV废弃的蓄电池也可以再利用，于2010年9月与住友商事成立了合资公司“4R ENERGY”。

　　虽然丰田和日产在各自推进自己的举措，但日本汽车厂商却有着共同的认识。这就是不通过一辆汽车来交换大电力。

　　其原因在于，如果通过特定的一辆汽车来反复存储并输出大电力的话，不仅会使电池加快劣化，而且在用户重度使用车辆时也无法保证EV的行驶距离。因此，丰田考虑在住宅与车辆间进行少量的电力融通；而日产则认为，即使每辆车的电力很少，但作为EV群来看待的话，则可融通较大的电力。

日产“LEAF”。配备的蓄电池可向家庭提供能够使用两天的24kWh电力。

可通过EV减少家庭用电

　　在夏季出现电力不足时，各个家庭、办公室及企业最好是能够将高峰用电量削减15％。这里通过家庭来考虑一下。如果将用电高峰时家庭的每小时用电量估计为2kWh，其15％就是300Wh。要想在用电6小时的过程中削减这一电量的话，只要用汽车供给1.8kWh的电力即可。而如果是与LEAF一样配备有24kWh蓄电池的EV的话，只用了蓄电池容量的7.5％左右。这样便足可解决问题。

　　而PHEV最多只配备有5kWh左右的蓄电池，要想在6小时内削减上述电量的话，必须要供应蓄电池容量的36％，因此仅靠蓄电池的话很难做到。不过，PHEV带有发动机和大型发电机（马达）。因此，不足的部分还可通过发动机发电来弥补。

　　由此可见，使EV及PHEV的蓄电池与住宅连接是非常有价值的举措。日本经济产业省和汽车业界于2011年5月19日举行“汽车战略研究会”，开始考虑如何在夏季用电高峰时通过充分利用EV等配备的蓄电池来削减用电量。

推动产业转型电动汽车电池制定“广州标准”

　　22日起，广州市召开为期四天的加快推动产业转型升级现场考评会。首日，广东省委常委、广州市委书记张广宁，广州市委副书记、市长万庆良率队赴广州东部四区（市）考察。如何做好“推动产业转型升级”这篇文章？天河区、萝岗区、黄埔区和增城市各自有妙招。在增城，张广宁和万庆良还现场建议，电动汽车电池要率先制定“广州标准”。

增城：发展战略性新兴产业

　　22日，张广宁、万庆良等一行来到增城市广汽本田研发中心项目现场考察。据悉，该项目总投资约46亿元，将建成华南地区最高设计等级的四车跑道。这里还将成为电动汽车的示范基地，能源汽车三大核心技术是重要的研发内容之一。据增城市市长叶牛平介绍，增城未来还将建设电动汽车绿道，积极发展电动充电、太阳能充电、便装式充电以及电池更换、电池租赁等服务，以体验使用带动研发创新。

　　万庆良表示：“这个创意很好。但各个汽车厂家的电动汽车电池型号、充电接口规格和标准不一样怎么办？”他建议：“广州市发改委、经贸局、科信局、广州供电局和广汽集团、广汽本田、广汽丰田、东风日产等一起开协调会，研究制定出一个‘广州标准’来，甚至可以成为广东标准乃至国家标准。”

　　张广宁赞许并指出，广州目前有广汽本田、广汽丰田、东风日产、广汽集团等四家汽车制造企业，都在发展电动车，但电池和充电接口的规格、标准都不同。要通过在增城试点，首先将全市几个企业充电的规格和标准统一起来。

天河：现代服务业高端发展

　　今年上半年，天河区实现生产总值1002.95 亿元，首次实现GDP半年破千亿。尤其是该区的天河中央商务区（CBD），今年上半年天河CBD实现生产总值702亿元，占全区GDP的比重达70%。张广宁在现场考察时要求，天河区要进一步创新服务管理，将配套服务作为最好的营销方式，吸引更多的世界500强机构和总部企业进驻。

　　预计9月23日对外营业的太古汇，是广州市重点商贸项目。目前，该商场部分181个商铺已全部完成招商，其中有70多个品牌是第一次进驻广州。估计开业后一年的营业额可达到70亿元至80亿元人民币。对此，张广宁高兴地说：“我们就是要把城市环境、商业环境营造好，把全世界商家都吸引到广州来投资。”

萝岗：建设自主创新核心组团

　　据介绍，近年来，萝岗区着力推进知识城、科学城、生物岛“两城一岛”自主创新核心组团建设，坚持以支柱产业项目为重点带动产业集群发展，以研发项目为重点带动价值链向高端延伸，以总部经济为重点加快现代服务业发展，大力推动产业转型升级。

　　在考察广州开发区科技人员公寓小区时，张广宁要求各区要根据实际来发展人才公寓，通过打造优质的生活环境来留住人才。“除了公寓的小环境，周边的大环境也要好，餐饮、医疗、教育、文体娱乐一样也不能缺少。”万庆良要求萝岗区重视完善各项生活配套，让优秀人才真正在广州安下家。

黄埔：发展高端生产性服务业

　　近年，黄埔区坚持“二三并举、三产优先”产业发展战略，产业转型升级成效明显。2010年，该区完成高新技术产品产值825.50亿元，在工业产值中的比重居全市第一。

　　张广宁一行随后考察了黄埔区内的广州机械科学研究院，该院于1999年从研究机构转制为科技型企业。近年来，该院重点发展生产性服务业。在该院机械工业汽车零部件产品质量监督检测中心（广州）整车实验室，广州自主品牌汽车“传祺”(1.8T)正在进行整车检测。张广宁高兴地表示：“现在广州汽车整车、零部件发展都很快，你们又是华南地区第一家行业级汽车零部件产品质量监督检测中心，有着很强的实力，完全可以依托广州汽车产业做好生产性服务业，发挥更重要的作用。”

如何从单节光伏电池收集能量
中心议题：了解光伏电池电源结构特性讨论从单节光伏电池收集能量的方法解决方案：选择合适的能量存储器件采用LTC3105是一种解决方案
为了简化仪器、监视和控制应用的无线通信所需的配电系统，电源设计师努力寻找不依赖电网的器件。电池显然是立即能想到的解决方案，让人们产生了能不依赖电网的幻想，但是电池需要更换或再充电，这意味着最终还是要连接到电网上，而且需要昂贵的人工干预和维护。我们提出用能量收集的方法，使用这种方法时，能量是从紧挨着仪器的环境中收集的，无需连接到电网就可以使仪器永久运行，而且最大限度地减少或消除了维护需求。

可以收集各种环境能源以产生电能，包括机械振动、温度差和入射光。其中，光伏能量收集有广泛的适用范围，因为光几乎到处都有，光伏(PV)电池价格相对较低，而且与其他环境能量收集解决方案相比，能产生相对较高的功率。因为光伏能量收集方法提供相对较高的能量输出，所以可用来给无线传感器节点供电，还可用来给较高功率的电池充电应用供电，以延长电池寿命，从而在某些情况下完全无需有线充电。

串联连接的高压光伏电池组能提供充足的功率，但单节光伏电池解决方案却很少见，因为单节光伏电池在有负载情况下产生的电压很低，从这么低的电压难以产生有用的电源轨。几乎没有升压型转换器能从电压很低、阻抗相对较高的单节光伏电池产生输出。不过，LTC3105是专门为应对这类挑战而设计。该器件具有超低的250mV启动电压和可编程最大功率点控制，能从富有挑战性的光伏电源产生大多数应用所需的典型电压轨(1.8～5V)。

了解光伏电池电源

可以用一个电流源与一个二极管并联来建立光伏电源的电模型，如图1所示。更复杂的模型可显示一些次要影响，但是就我们的目的而言，这个模型足够充分了。

图1 简单的光伏电池模型
反映光伏电池特性的两个常见参数是开路电压和短路电流。光伏电池的典型电流和电压曲线如图2所示。请注意，短路电流是该模型电流发生器的输出，而开路电压是该模型二极管的正向电压。随着光照射量的增加，该发生器产生的电流也增加，同时 IV 曲线向上移动。

图2 典型的光伏电池I-V曲线
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10为了从光伏电池抽取最大功率，电源转换器的输入阻抗必须与电池的输出阻抗匹配，从而使系统能在最大功率点上工作。图3显示了一个典型的单节光伏电池的功率曲线。为了确保抽取最大功率，光伏电池的输出电压应该与功率曲线的峰值点相对应。LTC3105 调节提供给负载的输出电流，以保持光伏电池的电压等于最大功率点控制引脚设定的电压。因此可用单个电阻器设定最大功率点，并确保从光伏电池抽取最大功率和峰值输出充电电流。

图3 典型光伏电池的功率曲线
可提供多少功率?

用光伏电池可产生多少功率取决于多种因素。电池的输出功率与投射到电池上的光强度、电池的总面积以及电池的效率成正比。大多数光伏电池都规定在完全直射的太阳光 (1000W/m2) 下使用，但是在大多数应用中，不可能有这么理想的条件。就依靠太阳光工作的设备来说，可从电池获得的峰值功率可能非常容易变化，由于天气、季节、烟雾、灰尘和太阳光入射角的变化，今天与明天相比有可能相差10倍。在充足的太阳光照下，晶体电池视电池特性的不同而有所不同，典型输出功率约为每平方英寸40mW。面积为几平方英寸的光伏电池足够给多个远程传感器供电以及给电池涓流充电了。

相比之下，靠室内照明光工作的设备可用能量要少得多。常见的室内照明光的强度约为充足太阳光的0.25%(室内照明光强度与太阳光强度的巨大差别难以察觉，因为人眼能适应很宽的光照强度范围)。室内应用可用的光照量低得多，因此呈现了一些设计上的挑战。即使面积为4平方英寸的大型高效率晶体电池，在典型办公室照明条件下，也仅能产生860μW功率。

选择最大功率点控制电压

图4显示了LTC3105 使用的最大功率点控制机制的模型。图3显示了光伏电池的功率曲线。请注意，当电池电压上升而离开峰值功率点时，光伏电池的功率就会从峰值点急剧下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制电压，因为功率曲线在高压端下降得更快。

图4 最大功率点控制机制
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10当选择MPPC跟踪电压时，各种不同的工作条件都必须考虑。一般情况下，最大功率点不会随着照明条件的变化而显着移动。因此，有可能做到的是，选择一个跟踪电压，以在很宽的照明强度范围内，保持靠近最大功率点工作。即使在极端照明情况下，工作点可能不是准确地位于最大功率点上，输出功率相比理性情况的降低通常也仅为5%～10%。

就图5所示功率曲线而言，0.4V的MPPC电压在两种极端照明条件下都产生接近最大功率点的性能。在这两种情况下，与最大功率点之间的电压差约为20mV，从而产生了不到3%的功率损失。

图5 当选择最大功率点电压时，选择较低的电压以避免电压陡降
作为一个经验法则，最大功率点控制电压应该约为光伏电池开路电压的75%～80%。让电池跟踪这样的电压，所产生的电池输出电流为短路电流的75%～80%。

在室外照明情况下给锂离子电池充电

使用光伏电源的应用面临的挑战之一是，在黑暗和光照量较低的情况下，输入功率不足。就大多数应用而言，这种挑战使得有必要使用能量存储组件，例如足够大的超级电容器或可再充电电池，以在最长预期黑暗时间内也能正常供电。

利用图6所示的LTC3105电路和一个2英寸×1英寸的多晶光伏电池给锂离子电池充电，所测得的充电电流曲线如图7所示。图7中上面的曲线显示，在天气晴朗、阳光充足的典型情况下的充电电流；下面的曲线则显示，在阴云密布时观察到的充电电流。即使在这类光照量很低的情况下，在整个白天也能保持250μA或更大一些的充电电流，这相当于给电池提供了总共 6mAh 的充电。

图 6 锂离子电池充电电路

图 7 两平方英寸光伏电池的充电曲线
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10选择合适的能量存储器件

就储存收集的能量而言，有很多可选方案，包括种类繁多的可再充电电池技术和高能量密度电容器。没有一种技术能适用于所有应用。为应用选择存储组件时，要考虑很多因素，包括自放电速率、最大充电和放电电流、电压灵敏度和周期寿命。

在光伏应用中，自放电速率尤其重要。在大多数光伏电源应用中，可用充电电流都很有限，高的自放电速率可能消耗大部分来自光伏电源的可用能量。有些能量存储组件 (例如大型超级电容器)自放电电流也许超过100μA，这又可能显着减少白天充电周期积累的净电荷。

另一个关键考虑因素是能量存储器件的充电速率。例如，最大充电电流为300μA的锂离子币形电池需要在电池和 LTC3105输出之间有一个大的电阻器，以防止过流情况。这可能限制能收集的能量，从而减少可用于应用的能量。

在很多情况下，充电速率与另一个重要因素“周期寿命”成正比。存储组件的周期寿命决定该组件不用维护可以在现场工作多长时间。一般而言，更快的充电和放电会缩短组件的工作寿命。超级电容器拥有非常长的周期寿命，而用相对较高的电流(电荷>1C)给电池充电会缩短寿命。除了充电和放电速率，每个充电/放电周期的深度也可能影响电池寿命，周期越深，寿命越短。

某些类型的电池，尤其是锂离子电池和薄膜电池，最高和最低电压都必须仔细控制。在LTC3105应用中，最高充电电压得到了良好控制，因为当输出进入稳定状态后，转换器终止充电。为了防止过充电，LTC3105可与LTC4071并联电池充电器一起使用，如图8所示。

图8 用单节光伏电池工作的锂离子涓流充电器

图9 单节光伏电池镍氢金属电池涓流充电器

图10 单节电池供电的远程无线传感器
结论

LTC3105是一款完整的单芯片解决方案，适用于从低成本、单节光伏电池收集能量。其集成的最大功率点控制和低压启动功能允许直接用单节光伏电池工作，并确保最佳能量抽取。LTC3105可用来直接给电路供电，或给能量存储器件充电，以允许在黑暗或光照很少时工作。LTC3105使其有可能实现自主远程传感器节点、数据收集系统，以及其他要求不依赖电网和最低限度维护的应用。
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锂电池组均衡充电保护板设计

中心议题：

锂电池组保护板均衡充电基本工作原理锂电池组保护板均衡充电工作仿真模型

成组锂电池串联充电时，应保证每节电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。常用的均衡充电技术有恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能；多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU,通过和保护芯片的串行通讯（如I2C总线）来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。

本文针对动力锂电池成组使用，各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，设计了采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板。仿真结果和工业生产应用证明，该保护板保护功能完善，工作稳定，性价比高，均衡充电误差小于50mV。

锂电池组保护板均衡充电基本工作原理

采用单节锂电池保护芯片设计的具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图如图1所示。其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分；6为单节锂电池保护芯片（一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等）；7为充电过电压保护信号经光耦隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极；8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极；9为充电控制开关器件；10为放电控制开关器件；11为控制电路；12为主电路；13为分流放电支路。单节锂电池保护芯片数目依据锂电池组电池数目确定，串联使用，分别对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状态进行保护。该系统在充电保护的同时，通过保护芯片控制分流放电支路开关器件的通断实现均衡充电，该方案有别于传统的在充电器端实现均衡充电的做法，降低了锂电池组充电器设计应用的成本。

图1　具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图

当锂电池组充电时，外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1～N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。

图2　充电过程
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系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压；如某一节或几节锂电池在充电过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端的分流放电支路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。

锂电池组串联充电时，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成，进入过电压保护状态，则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。

图3　分流均衡过程

当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节锂电池N～1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压；一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节锂电池放电保护控制信号变低，无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即结束放电使用过程。

图4　放电过程

一般锂电池采用恒流-恒压（TAPER）型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。

控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。

单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择，如果太小，均衡效果不明显；如果太大，系统的能量损耗大，均衡效率低，对锂电池组热管理要求高，一般电流大小可设计在50～100mA之间。

分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻偏差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。

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10均衡充电保护板电路工作仿真模型

根据上述均衡充电保护板电路工作的基本原理，在Matlab/Simulink环境下搭建了系统仿真模型，模拟锂电池组充放电过程中保护板工作的情况，验证该设计方案的可行性。为简单起见，给出了锂电池组仅由2节锂电池串联的仿真模型，如图5所示。

图5　2节锂电池串联均充保护仿真模型

模型中用受控电压源代替单节锂电池，模拟电池充放电的情况。图5中，Rs为串联电池组的电池总内阻，RL为负载电阻，Rd为分流放电支路电阻。所采用的单节锂电池保护芯片S28241封装为一个子系统，使整体模型表达时更为简洁。

保护芯片子系统模型主要用逻辑运算模块、符号函数模块、一维查表模块、积分模块、延时模块、开关模块、数学运算模块等模拟了保护动作的时序与逻辑。由于仿真环境与真实电路存在一定的差别，仿真时不需要滤波和强弱电隔离，而且多余的模块容易导致仿真时间的冗长。因此，在实际仿真过程中，去除了滤波、光耦隔离、电平调理等电路，并把为大电流分流设计的电阻网络改为单电阻，降低了仿真系统的复杂程度。建立完整的系统仿真模型时，要注意不同模块的输入输出数据和信号类型可能存在差异，必须正确排列模块的连接顺序，必要时进行数据类型的转换，模型中用电压检测模块实现了强弱信号的转换连接问题。

仿真模型中受控电压源的给定信号在波形大体一致的前提下可有微小差别，以代表电池个体充放电的差异。图6为电池组中单节电池电压检测仿真结果，可见采用过流放电支路均充的办法，该电路可正常工作。

图6　锂电池电压检测仿真结果
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系统实验

实际应用中，针对某品牌电动自行车生产厂的需求，设计实现了2组并联、10节串联的36V8A·h锰酸锂动力电池组保护板，其中单节锂电池保护芯片采用日本精工公司的S28241,保护板主要由主电路、控制电路、分流放电支路以及滤波、光耦隔离和电平调理电路等部分组成，其基本结构如图7所示。放电支路电流选择在800mA左右，采用510Ω电阻串并联构成电阻网络。

图7　锂电池组保护板基本结构

调试工作主要分为电压测试和电流测试两部分。电压测试包括充电性能检测过电压、均充以及放电性能检测欠电压两步。可以选择采用电池模拟电源供应器代替实际的电池组进行测试，由于多节电池串联，该方案一次投入的测试成本较高。也可以使用装配好的电池组直接进行测试，对电池组循环充放电，观测过压和欠压时保护装置是否正常动作，记录过充保护时各节电池的实时电压，判断均衡充电的性能。但此方案一次测试耗费时间较长。对电池组作充电性能检测时，采用3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测，可见各节电池都在正常工作电压范围内，并且单体之间的差异很小，充电过程中电压偏差小于100mV,满充电压4.2V、电压偏差小于50mV。电流测试部分包括过流检测和短路检测两步。过流检测可在电阻负载与电源回路间串接一电流表，缓慢减小负载，当电流增大到过流值时，看电流表是否指示断流。短路检测可直接短接电池组正负极来观测电流表状态。在确定器件完好，电路焊接无误的前提下，也可直接通过保护板上电源指示灯的状态进行电流测试。

实际使用中，考虑到外部干扰可能会引起电池电压不稳定的情况，这样会造成电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此在保护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在保护板上添加延时电路，这样将有效降低外部干扰造成保护电路误动作的可能性。由于电池组不工作时，保护板上各开关器件处于断开状态，故静态损耗几乎为0。当系统工作时，主要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗，当充电状态下均衡电路工作时，分流支路中电阻热损耗较大，但时间较短，整体动态损耗在电池组正常工作的周期内处于可以接受的水平。

经测试，该保护电路的设计能够满足串联锂电池组保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电、过放电的保护，同时实现均衡充电功能。

根据应用的需要，在改变保护芯片型号和串联数，电路中开关器件和能耗元件的功率等级之后，可对任意结构和电压等级的动力锂电池组实现保护和均充。如采用台湾富晶公司的FS361A单节锂电池保护芯片可实现3组并联、12串磷酸铁锂电池组保护板设计等。最终的多款工业产品价格合理，经3年市场检验无返修产品。

结论

本文采用单节锂电池保护芯片设计实现了多节锂电池串联的电池组保护板，除可完成必要的过电压、欠电压、过电流和短路保护功能外，还可以实现均衡充电功能。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，市场使用情况检验了该设计的稳定性。

电池温度智能监测系统设计
中心议题：电池温度智能监测系统设计蓄电池组中单体电池的温度监测问题解决方案：采集电池温度并传送给nRF2401模块通过串口和主控单元进行数据通信
针对采用热敏电阻测温和有线温度测量系统的不足，提出了采用单总线数字温度传感器DS18B20、单片机和无线收发模块等组成智能无线温度监测系统。DS18B20具有体积小，精度高，采用一线总线，可组网等优点，短距离无线通信技术应用到多点温度测量中，实现了温度数据无线传输，该系统扩展维护方便、成本低、高可靠性等特点，具有一定的实用性。

蓄电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源，在电力、通信、军事等领域中得到了广泛的应用。温度是蓄电池的一个重要参数，它可以间接地反映电池的性能状况，并且根据此温度参数可以对电池进行智能化管理，以延长电池的寿命。在蓄电池组充放电维护及工作工程中，电池内部产生的热量会引起电池的温度发生变化，尤其是蓄电池过充电、电池内部电解液发生异常变化等原因均可能造成电池温度过高而造成电池损坏。

传统上用人工定时测量的方法，劳动强度大、测量精度差，工作环境恶劣，尤其是不能及时发现异常单体电池，容易导致单体电池损坏，甚至导致整组电池故障或损坏；基于总线结构的有线多点温度监测系统，能够实现温度的智能化测量，但存在布线繁多复杂、维护扩展困难等不足。鉴于此，设计了一种基于单总线温度传感器和无线收发模块的电池温度无线监测系统，能够有效地克服热敏电阻测温和总线结构控制系统的不足，有利于提高蓄电池性能监测的智能化水平。

1 单总线温度传感器DS18B20

1.1 DS18B20芯片特性

DS18B20数字温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的新一代适配微处理器的智能温度传感器，它将温度传感器、A/D转换器、寄存器及接口电路集成在一个芯片中，采用1-wire总线协议，可直接数字化输出、测试。与其他温度传感器相比，具有以下主要特性：

采用独特的单线接口技术，与微处理器相连仅需一根端口线即可实现双向通信，占用微处理器的端口较少，可接收大量的引线和逻辑电路；使用中不需要任何外围电路，全部传感元件及转换电路都集成在形如一只三极管的集成电路内；测温范围- 55~ +125℃，精度可达±0.5℃，可编程9~12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，可实现高精度测温；测量结果直接输出数字温度信号，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；支持多点组网功能，多个DS18B20可挂在总线上，实现组网多点测温。适应电压范围宽：3.0~5.5V，在寄电源方式下可由数据线供电；DS18B20与单片机连接如图1所示，单总线器件只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都在这根线上完成，单总线上外接一个4.7Ω的上拉电阻，以保证总线空闲时，状态为高电平。

图1 DS18B20与单片机硬件连接图
1.2 DS18B20的控制时序

DS18B20与微处理器间采用的是串行数据传送，在对其进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。DS18B20控制时序主要包括初始化时序、读操作时序和写操作时序，如图2所示。

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图2 DS18B20控制时序
(1)初始化时序。时序见图2(a)，主机总线t0时刻发送一复位脉冲(最短为480s的低电平信号)接着在t1时刻释放总线并进入接收状态，DS18B20在检测到总线的上升沿之后等待15~60μs，接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60~240s)，如图中虚线所示。

(2)写操作时序。当主机总线t0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙。从t0时刻开始15μs之内应将所需写的位送到总线上，DS18B20在t0后15~60μs间对总线采样，若低电平写入的位是0，若高电平写入的位是1，连续写2位的间隙应大于1μs，见图2(b)。

(3)读操作时序。当主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平6~10μs之后，在t1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在t1时刻后到t2时刻前有效，t2~t0为15μs，也就是说，在t2时刻前主机必须完成读位，并在t0后的60~120μs内释放总线，见图2(c)。

2 系统硬件结构

监测系统主要由温度监测节点、主控单元和上位机等3部分组成，系统结构如图3所示。温度监测节点分布在蓄电池组的各个单体电池上，采集各单体电池的温度信息，通过无线网络传输给主控单元；主控单元与所有监测节点进行通信，接收上位机的命令和来自监测节点的温度信息，并将温度信息上报上位机；上位机实时显示蓄电池的温度信息，并对数据进行分析处理，根据设定的报警门限启动告警程序，及时发现异常电池。

图3 系统总体结构

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002.1 温度监测节点设计

温度监测节点的功能是完成对单体电池的温度信息采集、处理和无线数据传输。采用单片机控制无线收发芯片nRF2401和单总线数字温度传感器DS18B20来实现温度的智能测量，主要包括单片机系统、温度采集电路、无线收发电路、显示电路、告警电路和电源等组成，其硬件结构如图4所示。

图4 温度监测节点硬件结构
DS18B20测温电路如图1所示，用热传导的粘合剂将DS18B20粘附在蓄电池的表明，管芯温度与表面温度之差大约在0.2℃之内。利用nRf2401无线收发芯片实现无线传输，nRF2401是一个单片集成接收、发射器的芯片，工作频率范围为全球开放的2.4GHz频段。它内置了先入先出堆栈区、地址解码器、解调处理器、GFSK滤波器、时钟处理器、频率合成器，低噪声放大器、功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，使用起来非常方便。在本系统中nRf2401通过P2口与单片机进行通信，AT89S51的P2.0和P2.1口分别与nRF2401的CLK1，DATA相连接。nRf2401的CS是片选端，CE是发送或接收控制端，PWR_UP是电源控制端，分别由单片机的P2.3，P2.4和P2.5引脚控制。nRF2401的DR1为高时表明在接收缓冲区有数据，接单片机的P2.2。

由于nRF2401的供电电压范围为1.9~3.6V，而AT89S51单片机的供电电压是5V，为了使芯片正常工作，需要进行电平转换和分压处理，设计采用MAXIM公司的MAX884芯片进行5V到3.3V 电平转换，如图5所示。

图5 5V到3.3V转换电路
2.2 主控单元设计

主控单元和监测节点组成无线网路，通过主控单元实现上位机和监测单元的数据通信。主控单元的基本结构和监测单元类似，主要由单片机系统、无线收发模块、显示电路、串行通信电路及电源等组成。

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含2个基于RS232的串口，PC的串行口是RS232C电平，而单片机的串行口是TTL电平，两者之间通过串口通信时，必须进行电平转换，设计运用MAX232A芯片完成单片机与PC之间的数据传输，硬件连接电路如图6所示。

图6 单片机与MAX232A硬件连接电路

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003 控制程序设计

系统控制程序主要由单总线测温控制程序、无线收发控制程序和上位机监测程序等组成。单总线测温程序负责单总线设备初始化、采集电池温度并传送给nRF2401模块；无线收发控制程序主要功能是负责无线网络的组建和数据信息的无线传送；上位机监测程序的主要功能是通过串口和主控单元进行数据通信，实时显示并存储数据信息。以监测节点为例，图7是监测单元的程序流程图，监测单元首先进行初始化，主要包括单片机系统的通信、中断及定时的初始化等，然后采集单体电池的温度信息、保存并用数码管显示，实时监测主控单元的数据传送命令，如果有就将电池的温度数据通过无线模块发送出去。

图7 监测节点程序流程
4 试验结果

设计了试验样机，监测节点试验电路实物如图8所示，在室内进行了温度测试，采用4个监测节点，分别在距离主控单元4m，8m，12m的距离进行了试验，试验数据如表1所示。

从表1可以看出，温度的测量精度可达±0.3℃，无线传输的准确率较高，能够满足无线温度监测的需要。

图8 监测节点试验电路

表1 测温试验数据
5 结语

本文针对蓄电池组中单体电池的温度监测问题，设计了基于DS18B20数字温度传感器和无线收发芯片组成的远程无线监测系统。系统由上位机、主控单元和多个监测单节点组成，主控单元通过串口与上位机进行通信。与传统的有线多点温度测量系统相比，具有布设、扩展、维护及更新方便等特点，有一定工程实际应用价值。
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如何建立高效电池管理系统
中心议题：建立高效电池管理系统解决方案：采用 LTC6803 平台解决决定封装限制的因素
假定你接受了一项任务，为一个新的和基于电池的电源系统设计监视器电路，那么你会采取什么策略来优化该设计的成本和可制造性呢?最初考虑的问题将是确定系统的首选结构以及电池和有关电子组件的位置。基本结构清楚以后，接下来必须考虑的一个问题是，电路拓扑的权衡协调问题，例如，怎样优化最终产品的通信和互连。

电池的外形尺寸将对电源系统结构有重大影响。要使用大量小型电池以适合形状复杂的电池模块 (或电池组) 吗?或者要使用外形尺寸很大的电池，因而由于重量问题而导致对电池数量的限制或引起其他的尺寸限制?这也许是设计变数最大的部分，因为外形新颖的电池不断上市，而且人们也在不断努力，务求电池模块或电池组集成到产品中后，会与整个产品概念更加一致。例如，在汽车设计情况下，电池最终也许分散在车辆上的某些空间中，这些空间如果不放电池，利用效率很低。

另一个考虑因素是，电池 (或模块化电池组)、电池管理系统 (或其子系统) 以及最终应用接口之间的测试信号和 / 或遥测信号的互连。在大多数情况下，可以做一个外壳，用来集成电池模块或电池组中的某些数据采集电路，以便如果需要调换，那么生产 ID、校准、使用规格等重要信息能随着可替换组件带走。这类信息对电池管理系统 (BMS)或维修设备可能有用，而且最大限度地减少了线束中所需的高压额定值导线的数量。

接下来，就给定的机械概念设计而言，监视硬件拓扑由精确定义的、所需支持的电池数量决定。在汽车应用中，一般情况下总共会有 100 个以上的电池测量点，而且系统的模块化将决定一个给定的电路系统测量多少个电池。最常见的情况是，以安全断接“维修插头”方式，将所有电池分成至少两个子组。通过在故障情况下保持电压低于 200V，这种方法最大限度地降低了维修人员可能遇到的触电危险。外形尺寸较大的电池组意味着，要采用两套隔离的数据采集系统，每套也许支持 50 个电池分接头。在有些情况下，所有电子组件都在一个经济实惠的印刷电路板上，但是这需要大量互连，如图 1 (a)所示。或者，电子组件也可以分散放置，更加紧密地集成在电池模块中，但是这需要采用遥测链接方法。为了实现可靠的数据完整性，内置于汽车线束中的远端测量功能电路必须采用一种坚固型协议，例如广泛使用的 CAN 总线。尽管真正的 CAN 总线接口涉及几个网络层，但是可以很方便地采用 PHY 层构成 BMS LAN 结构，以高效率地进行模块内的通信。这类分布式结构如图 1 (b)所示。该拓扑允许在几个小型处理器之间分配计算工作量，从而降低所需的数据传输速率，并减轻 LAN 方法可能引起的 EMI 问题。最终的 BMS 应用接口很可能是至一个主系统管理处理器的 CAN 总线接线，而且将需要定义 (或在一开始规定) 特定的信息事务处理。

其他因素也可能对物理结构和监视电路造成影响。就锂离子电池而言，需要电池容量平衡，从而导致了额外的热量管理问题(去除热量)，而且如果需要有源平衡，还需要电源转换电路。温度探头常常分布在整个模块之上，以提供一种将电压读数与充电状态关联起来的方法，因而需要一些支持电路和连接方案。设计时一个常常忽视的考虑因素是，当产品安装之前闲置或储存在货架上时，电池的电量泄漏应该是最低的。在有些情况下，额外的控制配线是必要的。

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00在上面实现的这些结构中，都有一个常见的测量功能构件，该构件包括一个多通道 ADC、安全隔离势垒和某种程度的本地处理能力。图 2 电路显示了一个实现数据采集功能的可扩展设计平台。在这个图中，实现功能的核心组件是凌力尔特的 LTC6803 电池组监视器 IC，同时显示的还有一个 SPI 数据隔离器和一些可选的特殊用途电路。该电路包括输入滤波器和无源平衡功能，构成了一个完整的 12 节电池数据采集解决方案。如果需要，这类电路可以简单地复制，以支持更多电池测量方案，同时共享主微控制器的本地 SPI 端口，该主微控制器反过来再提供外部 CAN 总线或其他 LAN 型数据链路所需。

与前一代监视器件相比，LTC6803 的主要改进是，支持电源停机和/或单独由电池组供电。当电源从 V+ 引脚去掉时，电池加载将降至零(仅有 nA 级半导体泄漏)。工作电源可以由接通的电池组电压提供，或从一个单独的电源提供给 V+，只要电压始终至少与电池组一样高就行。为了实现简单性，LTC6803 还可以直接从电池组获取功率，在这种情况下，最低功率状态(即备用) 将仅消耗 12uA 电流。LTM2883 数据隔离器通过一个内部隔离的 DC-DC 转换器，从主处理器供电，因此该器件将自动与主处理器一起断电。LTM2883 的一个非常有用的功能是，它还能向隔离的电子组件(即电池端) 提供很大和得自主机的功率。一个小型升压电源功能组件 (图 2 中的 LT3495-1) 就是这样驱动的，以独立地给 LTC6803 供电，以便电池仅提供 ADC 测量输入电流 (即在有效转换时平均值 < 200nA)。该电路具有绝对最低的寄生电池泄漏，同时消除了任何电池的工作电流失配，否则这种失配可能逐步导致电池容量失衡。

LTC6803 的一个方便的功能是，有两个自由的、准确度与电池输入类似的 ADC 输入。这种方便的功能允许用很少的额外电路进行辅助测量，包括温度、校准信号或负载电流测量。一种尤其有用的测量是，用一个门控电阻分压器测量整个电池组的电压，实现方法如图 2 所示 (采用 12:1 的比例，连接到 VTEMP1 输入)。当电路断电时，相关的 FET 断开，这样对电流的测量就不会不必要地加重电池的负担。既然该端口的滤波可以独立于电池输入来定制，那么为了实现精确的充电电流计算所需的、真正高达 200sps 的奈奎斯特 (Nyquist)采样率是可能的。可以利用对单个电池测量来周期性地对整个电池组的分压器提供软件校准，这样就不需要价格昂贵的电阻器了。辅助输入的另一个非常有用的用法是，测量准确度很高的校准电源(诸如凌力尔特的 LT6655-3.3，一个准确度为 0.025% 的基准)，在这种用法中，允许软件凭借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。请注意，热敏电阻器的温度探头不必以电池的电位为基准，这些探头一般也不需要 12 位的分辨率。这类探头通常适用于直接与微控制器连接，从而留出高性能 LTC6803 的辅助输入，以实现要求更加苛刻的功能。

总之，在电池管理系统电路中需要考虑的因素有很多，特别是那些决定封装限制的因素。当封装设计思想汇聚在一起时，考虑一下也有可能产生机械影响的电子线路与信息流的结构(例如：连接器化和导线数目) 同样也是很重要。一旦权衡过这些因素而且封装设计思想成熟之后，只需直接插入一款采用 LTC6803 平台，一个声名卓著、可扩展和具成本效益的数据采集解决方案便大功告成了。
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电动车电池的分段恒流充电方案
中心议题：电动车电池的分段恒流充电方案电池快速充电的分段恒流控制电池分段恒流充电的智能化控制解决方案：采用容量梯度法确定恒流充电终止标准参数以电池温度过高则停止充电的保护控制
为了在实现快速充电的同时又不影响电池寿命，关键是要使快速充电过程具有自适应性，即根据电池的实际状态自动调节充电电流的大小，使其始终保持在充电可接受电流的临界值附近。为此，本文在电池快速充电理论基础上，对分段恒流充电方法进行了试验研究，以期实现动力电池的智能化快速充电和均衡充电。

1 电池快速充电的分段恒流控制

1. 1 　快速充电方法的选择

增大充电电流，电池极板上单位时间内恢复的活性物质增多，充电时间就可缩短，但过大的充电电流会损害电池。电池可接受的充电电流是有限的，且会随充电时间呈指数规律下降。在电池充电过程中，充电电流曲线在该指数函数曲线以上时会导致电池电解液发生析气反应(过充电) ,反之则不能有效缩短充电时间。理想化的电池快速充电过程是充电电流始终保持在电池充电可接受电流的极限值，即充电电流曲线与该电池的充电可接受电流曲线相重合。本文选择容易实现的分段恒流充电方法，其关键是要确定适当的阶段恒流充电终止判断标准、恒流充电分段数和各阶段恒流充电电流值。

1. 2 　分段恒流充电控制方案

要实现分段恒流充电的自动控制，阶段恒流充电终止判断参数可选择充电时间、电池温度和电池电压等。大量的调查分析和电池充电试验结果表明，单参数控制方法难以实现理想的分段恒流充电控制。

充电时间参数控制方法简单，但电池型号不同、充电起始状态不同，所需的充电时间也不一样，如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束，容易导致电池过充电或延长充电时间。温度参数控制方法的优点是可实现电池温度过高保护，但是由于环境和传感器响应时间延迟的影响，如果仅以电池温度参数作为阶段恒流充电终止判断标准，也容易造成电池的过充电。电压参数控制被认为是较好的阶段恒流充电终止控制方法，但其不足也是显而易见的，比如：不能识别因电池极板硫化而产生的充电电压异常升高以及电池充电过程中出现的异常温升等，从而导致电池充电时间延长或电池的损坏。

为了保证在各种情况下均能检测电池的实际充电状态，并实现较为理想的阶梯形充电电流曲线，本文综合了充电时间、电池温度和终止电压3个参数作为各阶段恒流充电终止判断依据，其控制流程如图1 所示。

分段恒流充电结束后再进行一段时间的定压充电，是为了确保电池能完全充足。3 个控制参数的具体控制策略如下。时间参数控制：根据电池容量和充电电流，预先设定某段恒流充电的时间，当充电时间达到设定值时，通过定时器发出信号，结束该阶段的恒流充电并自动将充电电流减小，进入下一段恒流充电。

温度参数控制：设定某段恒流充电至可接受电流极限时的电池温度最高值，根据温度传感器检测的电池温度来控制充电装置。当外界环境温度较低、设置的电池最高温度较高时，采取控制温升法，当电池的温升达到设定值时，温控器使充电装置停止充电，直到温度下降至适当值时，自动进入下一阶段恒流充电。

电压参数控制：电池的绝对电压可以反映电池的充电情况，设定某段恒流充电达到或接近充电可接受电流极限值的电压，当电压达到设定值时，充电装置便自动结束本阶段恒流充电，进入下一阶段。

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101. 3 　分段恒流充电试验研究

根据电池的容量初步设定t ( n) 、I ( n) 和U ( n) ,进行充电试验，充电过程中根据实际情况对t ( n) 、I ( n) 和U ( n) 进行调整，然后再进行下一次充电试验。每次充电的电池初始状态均为3 h率完全放电，对各次试验的充电时间、充电效率和电池温升等数据进行分析比较，从中选定充电时间最短、电池温升比较小的充电过程，其各阶段的控制参数和充入的电量如表1 和表2 所示，分段恒流充电电流曲线如图2 所示。

通过对试验结果进行分析，可得出如下结论：

(1) 各段恒流值I ( n) 的梯度宜适当减小。对比电池温升情况及各段恒流充电终止状况相近的几次分段恒流充电过程发现，对于充足电所用时间而言，5 段恒流充电的时间最短，而4 段恒流充电的时间短于3 段恒流充电的时间。因此，适当减小各段恒流值下降梯度(分段数增加) ,可使实际充电电流曲线更接近充电可接受电流曲线。

(2) 设定各恒流段充电时间t ( n) 的作用不大。用定时器控制各恒流段充电时间t ( n) 比较容易实现，然而由于电池在恒流充电开始时的荷电状态不同或因电池容量衰减导致充电可接受电流减小时，最佳的恒流充电时间也随之改变。电池状态的不确定使最佳充电时间很难确定。在试验中常出现以下现象：某段恒流充电到了设定的充电时间，但充电电压离终止电压相差还很远，这时，本试验选择了在该恒流值下继续充电，直至充电电压达到终止电压;某段恒流充电设定的充电时间还未到，但电池已大量析气(电解液“沸腾”) ,且充电电压已高于设定的终止电压或电池温度升至限定值，这种情况下，充电器会立即停止该段恒流充电，自动转入下一阶段。由此可见，在自动控制充电过程中，设定充电时间的作用不大。

(3) 电池温度不宜单独作为分段恒流充电控制参数。理论上，在开始充电时电池荷电状态不同的情况下，电池温度均可用作各阶段恒流充电的自动停止控制参数。但是，温度传感器的误差和滞后性容易造成电池过充电，因此不宜单独采用电池温度作为分段恒流充电终止控制参数。

(4) 终止电压参数U ( n) 对异常情况的自适应性较差。将不同恒流值下的终止电压设为控制参数，可自适应电池开始充电时的荷电状态和电池使用过程中充电可接受电流的变化，且控制也比较简单。但是，当电池的性能出现异常变化时，原来设定的终止电压可能会过高或过低，导致电池过充电或过早降低充电电流而延长了整个充电时间。此外，在不同的恒流充电阶段，电池内部的充电极化程度也不同，接近可接受电流极限时的充电电压上升速率也会有明显的差别，要准确地设置各种恒流充电状态下的终止电压难度很大。

2 电池分段恒流充电的智能化控制

2. 1 　分段恒流充电智能化控制方案

根据分段恒流充电试验的结果与分析，对分段恒流充电控制方案作了如下调整：

(1) 采用容量梯度法确定阶段恒流充电终止标准。通过理论分析和大量试验研究，本文认为采用容量梯度参数dU/ dC 作为阶段恒流充电终止判断标准较为适宜。按该型电池恒流充电特性曲线确定充电终止容量梯度参数，充电过程中控制器以设定的频度对充电电压进行采样，计算I ( n) 下的容量梯度值，并与设定的充电终止容量梯度标准进行比较，根据比较结果判断是否终止当前阶段恒流充电。

(2) 减小各段恒流值下降梯度。通过试验确定该型电池初次恒流值I (1) ,并减小阶段恒流充电的电流下降幅度。如果降低充电电流后，达到充电终止容量梯度值的时间很短(设定一个最小充电时间) ,则适当增大电流下降的幅度。

(3) 将电池温度设为充电安全保障控制参数。设置电池最高温度限定值，在充电过程中，如果电池温度达到了限定值，立即停止充电。当电池温度降至正常温度时，适当减小充电电流继续充电，直到该段恒流充电结束。

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10 2. 2 　分段恒流充电智能化控制电路

分段恒流充电智能化控制电路如图3 所示。该电路采用CPU 控制，可对充电电池和充电环境温度进行检测，对电池充电进行计时，采样充电过程中电池的电压和电流，对分段恒流充电过程进行控制。

2. 3 　智能化分段恒流充电试验研究

根据调整后的分段恒流充电方案进行充电试验，为便于比较，采用与方案调整前的充电试验所用同一型号电池，充电初始状态完全一样。调整方案后的定流充电各阶段的控制参数和充入的电量如表3 所示，其定压充电阶段的控制参数和充入的电量与表2 中的数值相同，调整方案后的分段恒流充电电流曲线如图4 所示。

在调整方案后的分段恒流充电试验过程中，电池没有出现温度过高而停止充电的情况，充电时间缩短了，充电效率也提高了，并且整个充电过程均按设定的程序自动进行，完全不需要人工干预，实现了智能化的快速充电。

3 结语

采用容量梯度法确定恒流充电终止标准参数，减小阶梯恒流充电电流下降梯度，并辅以电池温度过高则停止充电的保护控制，可实现动力电池的智能化快速充电控制。试验结果表明，这种恒流充电控制方法可有效缩短充电时间，提高充电效率，延长电池使用寿命。
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精确测量蓄电池内阻方法的研究

中心议题：

常见测量蓄电池内阻的方法蓄电池内阻检测原理精确测量蓄电池内阻的方法

解决方案：

交流恒流源的设计

1．引言

蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，已广泛的应用于工业生产、交通、通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。蓄电池状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是蓄电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量蓄电池内阻，对其工作状态进行评估。目前测量蓄电池内阻的常见方法有：

（1）密度法
密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。该方法的适用范围窄。

（2）开路电压法
开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池内阻，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，再浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

（3）直流放电法
直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是它也存在一些缺点。如用该方法对蓄电池内阻进行检测必须是在静态或是脱机状态下进行，无法实现在线测量。而且大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，从而影响蓄电池的容量及寿命。

（4）交流注入法
交流法通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号IS，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差θ由阻抗公式

来确定蓄电池的内阻R。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电流信号Is,电压响应信号Vo，以及电压和电流之间的相位差θ由此可见这种方法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，同时也影响了测量精度。

为了解决上述各方法的缺陷，本文采用了四端子测量方式，将蓄电池两端上的电压响应信号通过交流差分电路与产生恒定交流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过滤波电路，使交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后进行模数转换，将转换后的值送入单片机进行简单处理。

2．蓄电池内阻检测原理

由于电池内阻为毫欧级，因此采用常规的两端子测量方法测量误差较大，在此采用四端子测量方式。测量时两个端子施加一频率为1.0kHZ±0.1kHZ的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量。测量工作原理图如图1所示，响应信号是指蓄电池注入交流恒流源后，在其两端测出的交流电压信号。而正弦信号是经D/A产生的作为压控恒流源的输入信号。

图1 测量工作原理图
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设正弦信号为：u1(ωt)=Acosωt 。蓄电池两端的响应电压信号为：u2(ωt)=Bcos(ωt + θ) 。θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差。

通过模拟乘法器后有：

K为模拟乘法器的放大系数。进行低通滤波后滤掉交流成分得：

由交流法测内阻原理得：

式中I为交流恒流源信号的最大值。

比较可得：

上式中K、A、I都是已知量，而u为经过A/D采样送到单片机进行处理的采样值，所以在单片机中进行一个简单的除法运算便能得到蓄电池内阻了。

3．交流恒流源的设计

成功检测蓄电池状态的前提是可以提供需要的交流恒流源。恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源装置。它是一个电源内阻非常大的电源。为了保证内阻有较高的测量精度及较好的重现性，要求恒流电流源有足够的稳定度，并且波形失真度要小。这里所需交流信号幅度为40mV，频率为1KHZ。

但是传统的低频交流信号发生器设计中存在很多的不足：应用通用电路,元器件多,尤其是电容的体积大,且波形的稳定性差、失真大,调节也极不方便；应用专用电路,如ICL8038、MAX038等,其失真和稳定性方面有明显提高,但低频应用时不合适,调节不方便,成本也较高。

3．1 设计原理
本文采用了数字式信号发生器产生标准正弦波和电流负反馈法产生精确交流恒流源法, 交流恒流源实现原理如图2所示。

图2 正弦交流恒流源实现原理

电路组成框图如图2所示：这是一个闭环控制系统，电流负反馈电路。标准正弦波产生一个频率稳定、对称、失真度低的1KHz正弦波信号。驱动电路把正弦波放大，去推动功放电路，得到正弦交流电流输出。恒流控制电路从功放输出中得到的信号，通过与给定的信号相比较，来调节驱动电路的信号，从而使输出电流保持稳定。

3．2 标准正弦波的产生原理
标准正弦波信号的产生采用数字式信号发生器。首先将正弦表数据存储在正弦信号存储器中,晶振产生振荡频率f，经过整型电路变为完整方波频率，再经过R分频电路得到频率为f/R,再经过鉴相器FD和环路滤波器LF电路锁相分频后，读取存储在正弦信号存储器中的正弦值,经过D/A转换电路和经低通有源滤器滤波电路，生成图2 所需的标准正弦波。

4．总结

与现有技术相比，该处理方法的适用范围广，测量精度高，对蓄电池的损害小，可以对蓄电池进行安全的在线监测管理。同时不需要进行交流采样和求解cos ，就能求出蓄电池的内阻值。这简化了交流注入法中需要对蓄电池两端交流电压和相位差进行测量的软硬件的复杂程度。该方法可以满足蓄电池检测的要求，取得了较好的实用效果，完成了对铅酸蓄电池的性能检测和故障诊断。为蓄电池的在线检测提供了一种实用的方法。

电池供电系统中DC－DC升压调节器的应用
中心议题：电池供电系统中DC－DC升压调节器的应用解决方案：采用升压调节器集成振荡器采用PWM控制环路和开关FET
便携式电子器件（如智能手机、GPS导航系统和平板电脑）的电源可以来自低压太阳能电池板、电池或AC-DC电源。电池供电系统通常将电池串联叠置以实现更高的电压，但此技术由于空间不足未必总是可行。开关转换器使用电感磁场来交替存储电能，并以不同电压释放至负载。因为损耗很低，所以是个不错的高效选择。连接至转换器输出端的电容可降低输出电压纹波。本文所讨论的升压，转换器提供较高电压；而之前所讨论的降压转换器提供较低输出电压。内置FET作为开关的开关转换器称为开关调节器，需要外部FET的开关转换器则称为开关控制器。

图1显示采用两节串联的AA电池供电的典型低功耗系统。电可用输出范围约为1.8 V至3.4 V,而IC工作时需要1.8 V和5.0 V 电压。升压转换器可在不增加电池单元数量的情况下提升电压，从而为WLED背光、微型硬盘驱动器、音频设备和USB外设供电，而降压转换器可为微处理器、内存和显示器供电。

图1.典型低功耗便携式系统
电感阻碍电流变化的倾向可提供升压功能。充电时，电感用作负载并存储电能；放电时，可用作电源。放电过程中产生的电压与电流变化速率相关，与原始充电电压无关，因此可提供不同的输入和输出电平。

升压调节器包括两个开关、两个电容和一个电感，如图2所示。非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通，避免发生不良的直通电流。在第1阶段（tON），开关B断开，开关A闭合。 ON电感连接到地，因此电流从VIN流到地。由于电感端为正电压，因此电流增大，使电能存储于电感中。在第2阶段（tOFF），开关A断开，开关B闭合。电感连接到负载，因此电流从VIN流到负载。由于电感端为负电压，因此电流减小，电感中存储的能量释放到负载中。

图2.降压转换器拓扑结构和工作波形
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00注意，开关调节器既可以连续工作，也可以断续工作以连续导通模式（CCM），工作时，电感电流不会降至0;以断续导通模式（DCM），工作时，电感电流可以降至0. 电流纹波，在图2中显示为ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN × tON）/L.计算。平均电感电流流入负载，而纹波电流流入输出电容。

图3.升压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关FET
使用肖特基二极管代替开关B的调节器定义为异步（或非同步），调节器，而使用FET作为开关B的调节器定义为同步调节器。图3中，开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管来实施，从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关断电流的低功耗应用，可添加外部FET,如图4所示。将器件的EN引脚驱动至0.3 V以下便可关断调节器，使输入与输出完全断开。

图4.ADP1612/ADP1613典型应用电路
现代低功耗同步降压调节器以脉宽调制（PWM）为主要工作模式。PWM保持频率不变，通过改变脉冲宽度（tON）来调整输出电压。输送的平均功率与占空 D成正比，因此这是一种向负载提供功率的有效方式

例如，所需输出电压为15 V,可用输入电压为5 V时：

D = （15 – 5）/15 = 0.67 or 67%.

由于功耗降低，输入功率必须等于传递至负载的功率减去所有损耗。假定转换十分有效，则少量的功率损失可在基本功耗计算中省略不计。因此输入电流可近似表示为：

例如，如果负载电流在15 V时为300 mA,则5 V时IIN = 900 mA at 5 V-即输出电流的三倍。因此，可用负载电流随着升压电压增大而降低。

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00升压转换器使用电压或电流反馈来调节选定的输出电压；控制环路则可根据负载变化保持输出调节。低功耗升压转换器的工作频率范围一般是600 kHz到2 MHz.开关频率较高时，所用的电感可以更小，但开关频率每增加一倍，效率就会降低大约2%.在ADP1612 和ADP1613升压转换器（参见附录）中，开关频率可通过引脚选择，最高效率下的工作频率为650 kHz,最小外部器件的工作频率为1.3 MHz.对于650 kHz的工作频率，将FREQ 连接至GND,而1.3 MHz的工作频率则连接至VIN.

电感是升压调节器的关键器件，它在电源开关导通期间存储电能，而在关断期间通过输出整流器将电能传输至输出端。为了在低电感电流纹波与高效率之间取得平衡，ADP1612/ADP1613 数据手册建议电感值范围为4.7 μH至22 μH.一般而言，较低值的电感在给定实体尺寸下具有更高的饱和电流和更低的串联电阻，而较低的电感导致较高的峰值电流，可降低效率并增加纹波和噪声。通常最好在断续导通模式下执行升压，以便缩小电感尺寸并改善稳定性。峰值电感电流（最大输入电流加一半的电感纹波电流）必须小于电感的额定饱和电流；而调节器的最大直流输入电流必须小于电感的电流有效值额定值。

升压调节器主要规格和定义

输入电压范围：升压转换器的输入电压范围决定了最低的可用输入电源。规格可能提供很宽的输入电压范围，但输入电压必须低于 VOUT才能实现高效率工作。

地电流或静态电流：未输送给负载的直流偏置电流（Iq）。 Iq越低则效率越高，然而， Iq 可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，为了确定某个应用的最佳升压调节器，最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率。

关断电流：这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，低Iq对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。

开关占空比：工作占空比必须小于最大占空比，否则输出电压无法调节。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V, D = 67%. ADP1612和ADP1613的最大占空比为90%.

输出电压范围：即器件可支持的输出电压范围。升压转换器的输出电压可以是固定的，或者可利用电阻设定所需的输出电压来调节。

限流：升压转换器通常指定峰值电流限值而不是负载电流。请注意VIN and VOUT间的差异越大，可用负载电流越低。峰值电流限值、输入电压、输出电压、开关频率和电感值均会决定最大可用输出电流。

线路调整率：线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。

负载调整率：负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发生的变化率。

软启动：升压转换器具有软启动功能很重要，启动时输出电压以可控方式缓升，从而避免启动时出现输出电压过冲现象。某些升压转换器的软启动可通过外部电容调节。随着软启动电容充电，它会限制器件允许的峰值电流。凭借可调软启动功能可改变启动时间以满足系统要求。

热关断（TSD）：当结点温度超过规定的限值时，热关断电路就会关闭调节器。一直较高的结温可能由工作电流高、电路板冷却不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括迟滞，以防止发生热关断后，器件在片内温度降至预设限值以下后才返回正常工作状态

欠压闭锁（UVLO）：如果输入电压低于UVLO阈值，IC便自动关闭电源开关并进入低功耗模式。这可以防止低输入电压下可能发生的工作不稳定现象，并防止电源器件在电路无法控制它时启动。

结束语

低功耗升压调节器通过提供成熟计使开关的设DC-DC转换器设设计变得简单。
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蓄电池容量均衡技术概述

蓄电池容量均衡方法的中心议题：

电阻消耗均衡法开关电容法双向DC-DC 变流器法多绕组变压器法多模块开关均衡法开关电感法

摘要：蓄电池由于其储能时间长，价格低等特点在电动车、新能源发电等领域得到了广泛应用。但蓄电池单体电压、容量较小，为了满足增大蓄电池容量的要求，一般将蓄电池单体串联使用，但由于单体的个体差异，在长时间使用后会导致单体的容量各不相同，对整个电池组的效率产生严重的影响。因此对蓄电池组各单体的容量均衡就非常重要，是保证蓄电池长期、有效运行的关键技术。文中将对现有的各种蓄电池均衡技术进行介绍，并指出各种方法的优缺点。

引言

在由蓄电池作为储能单元的系统中，由于蓄电池单体往往容量比较低，不能够满足大容量系统的要求，因此需要将蓄电池单体串联，形成蓄电池组以提高供电电压和存储容量，例如在电动汽车、微电网系统等领域大多需要蓄电池串联。由于蓄电池单体自身制作工艺等原因，不同单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异导致即便串联蓄电池组每个单体的充放电电流相同，也会使每个单体的容量产生不同，进而影响整个蓄电池组的工作。最坏的情况，在一个蓄电池组中，有一个单体的剩余容量接近为100%,另一个单体的剩余容量为0,则这个蓄电池组既不能充电也不能放电，完全不能使用。因此对蓄电池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄电池单体串联的情况。

蓄电池容量均衡的方法主要有电阻消耗均衡法、开关电容法、双向DC-DC 变流器法、多绕组变压器法、多模块开关均衡法、开关电感法等。

1.电阻消耗均衡法

电阻消耗均衡法是通过与电池单体连接的电阻，将高于其他单体的能量释放，以达到各单体的均衡，如图1 所示。每个蓄电池单体通过一个三极管与一个电阻连接，通过控制三极管的导通与关断实现蓄电池单体对电阻的放电。该种结构控制简单，放电速度快，可多个单体同时放电。但缺点也很明显，能量消耗大，只能对单体进行放电不能充电，而且其他蓄电池单体要以最低的单体为标准才能实现均衡，效率低。

图1 电阻消耗均衡法结构图
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2.开关电容法

开关电容法是在每两个相邻的蓄电池之间通过开关器件与一个电容并联，如图2 所示。通过控制开关器件驱动信号PWM 的占空比实现相邻两个电池之间能量的传递。例如若蓄电池单体容量B1 高于B2,G1 开通G2 关断时，电容C1 和电池单体B1 并联，B1 将能量传递给C1;G1 关断G2 开通时，电容C1和电池单体B2 并联，C1 将能量传递给B2,完成这个周期内的能量传递。以此类推，通过控制开关器件的开通与关断，利用电容实现能量的逐个传递。

图2 开关电容均衡法结构图

该电路可以等效成如图3 所示电路，在每两个电池单体之间连接一个等效电阻，可以推出如等式渊1冤给出的等效阻值。这种方法由于能量逐个传递，因此均衡时间较长，可以根据等式渊1冤，通过改变开关器件的开关频率和电容容值的方法调节等效电阻，改变充放电电流。

图3 开关电容法等效电路

式中：f 为开关频率；t=RC；D为占空比。

开关电容法控制简单，可实现充电和放电均衡，但由于是逐级传递能量，因此均衡速度较慢。

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003.双向DC-DC变流器法

该方法每个蓄电池单体都连接一个双向DCDC变流器后再串联，如图4 所示。由于蓄电池单体电压等级比较低，一般情况下将蓄电池单体作为低压侧。在给蓄电池组充电时，根据图5 的控制策略，可以实现对每个蓄电池单体的恒压充电，如果将该控制策略的电压外环打开，可以根据均衡的需要进行恒流充放电控制。在放电时，如果连接负载较重，有些双向DC-DC 变流器的电感可能工作在断续状态。

图4 双向DC-DC 变流器法结构图

图5 蓄电池单体恒压充电控制框图

这种均衡方法可以同时对所有电池单体进行充放电，并针对不同电池单体的容量情况控制充放电电流。此方法控制灵活，充放电均衡时间短。但由于每个蓄电池单体都需要一个双向DC-DC 变流器，因此成本较高。

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004.多绕组变压器均衡法

多绕组变压器法是将每个蓄电池单体连接到变压器的一个副边，如图6 所示。在对蓄电池组进行电压均衡时，控制变压器副边电压首先高于最低的一个蓄电池单体，此时这个单体电路中的二极管导通，其他单体连接的二极管由于承受反压关断，仅给电压最低的蓄电池单体充电，等到这个单体充至倒数第二高时，再提高副边电压，给最低的两个单体充电，照这种方法持续下去，充电电压如图7所示。

图6 多绕组变压器法结构图

图7 变压器副边充电电压波形图

这种充电方式的多绕组变压器设计复杂，而且价格较贵，需要根据不同的蓄电池单体数量改变绕组个数，不易于蓄电池组的扩展曰仅能通过给蓄电池单体充电的方式实现均衡。

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005.多模块开关选择均衡法

该种方法的结构如图8 所示，由于串联蓄电池单体数量较多，可以将这些单体分为M 个模块，每个模块有K 个单体。每个蓄电池单体均有一组开关与双向DC-DC 变流器连接，开关由两个反向串联的MOSFET 组成，在单体未选中进行充放电时，控制芯片控制相应MOSFET 关断，单体与变流器断开曰由控制器选择给某个单体进行充电时，通过控制芯片开通对应的光耦，令MOSFET 导通，将该蓄电池单体接入DC-DC 变流器，如图9 所示。

图8 多模块开关选择均衡法结构图

图9 多模块开关选择均衡法控制电路

这种方法可以对任何一个单体进行单独充放电，充放电电流可控，但是每次只能针对一个电池单体，因此整个蓄电池组的充放电均衡时间较长，尤其在单体数量很大的情况下。

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006.开关电感法

开关电感法是在相邻两个蓄电池单体之间通过MOSFET 与一个电感相连，如图10 所示，若当单体容量B1 大于B2 时，首先令开关Q1 导通Q2 断开，B1 给电感L1 充电，然后Q1 断开Q2 闭合，此时电感将存储的能量释放给B2,为了保证Q1 和Q2 不同时导通，会加入死区，在死区时间里，电感L1 通过B2,D2 续流。同时B2 也可以给B3 传递能量，也可以实现能量反方向的流动，直到所有电池单体容量相同为止。

图10 开关电感法电路结构图

开关电感法可以实现相邻电池单体间能量的同时传递，可以减少均衡时间，对于N 个蓄电池单体，需要2N-2 个MOSFET 和N-1 个电感。

7.结论

蓄电池组各单体容量的均衡对于串联蓄电池组的工作效率和安全起着非常重要的作用，长时间的不均衡会导致整个蓄电池组寿命缩短，严重影响整个系统的工作。本文介绍了各种蓄电池均衡方法的工作原理和优缺点，从中我们可以看出，没有一种方法是十全十美的，需要根据应用场合尧均衡时间尧串联数量尧成本等因素综合考虑，进行实际应用的选择。

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