一种锂电池充放电电流平衡算法的研究

葛海江

（杭州职业技术学院信电系，浙江 杭州 310018）

GEHai-jiang

一种锂电池充放电电流平衡算法的研究

葛海江

（杭州职业技术学院信电系，浙江 杭州 310018）

针对锂电池组中各电池容量不平衡导致电池过度充放电的问题，提出一种锂电池充放电电流平衡算法。通过给每个电池并联MOS管加限流电阻的负载实现电流的分流；在电流及电压的测量过程中提出二次差值法来消除内部电路对AD采样值的影响；对平衡算法的启动时间、条件及相关参数进行了分析和计算；对两节串联的锂电池进行电池电流平衡算法的测试。测试表明：经过平衡算法后，两节电池的充放电电压变化曲线接近一致，取得了满意的电池电流平衡效果。

锂电池；充放电；电流平衡算法；MOS管；二次差值法

在许多便携式设备中，单节锂电池的供电电压或者电流往往不够，需要进行多节同类电池串联或并联。当多节同类的串联电池有不同的电池容量时，给电池进行充电或者放电时，传统的方法是采用同样的充电电流给多节电池一起充电，这样会导致电池组的各个电池电压充电不平衡，电压高的电池先达到该电池的满电压，但总电压不足，会继续充电，从而造成该电池的过度充电；在放电时，往往是电池容量低的电池先耗电完，造成阻抗增加，使得整个电池组的供电能力减弱。电池组内的电池过度充电和放电，会损耗电池的寿命[1]。如两节串联电池存在10%的容量差异，大多数充电器只监控总电池电压，充电时高容量的电池充电会上升到不安全的区域4.3 V以上。鉴于此，本文提出了一种锂电池充放电电流平衡算法，在锂电池充放电过程中对电池组进行电流平衡控制[2-3]，并通过两节串联的锂电池对该平衡算法进行验证，取得了满意的电池电流平衡效果。

1 算法设计

1.1 电池充放电电流平衡原理

一般情况下，电池组内电池容量的差异在1%左右，如果电池组的电池有较高的温度差异或者长时间不使用，电池容量的差异会在5%左右。两个电池容量如果相差过大，则在充放电过程中需要对电池容量进行平衡操作。锂电池充放电平衡算法的核心就是高容量电池有相对多余的电量，必须在充放电的时候被分流出去。电池充放电电流平衡采用给每个电池并联负载的方式实现，采用MOS管串联限流电阻的方法，如图1所示。如果Cell1的电池电压高于Cell2，那么让Q1管导通，Q2关闭，使得Cell1的部分电流通过Q1旁路被分流掉，这样会使得两个电池在充、放电时，两个电池电流达到平衡。因为电池在接近充好电和快放完电的时候，d/d有最大值，这时候启动电池电流平衡程序将比在充放电中期花费的时间更少，因此建议采用这个时间来启动平衡算法程序。

图1 电池电流平衡方法

1.2 电池平衡负载功率计算

1.3 电池平衡负载选择

1 h内负载需要的平衡电流为2 500×0.15=375(mA)，假设电池上的平衡负载为100Ω，则bal=4.2/100=42(mA)，功率bal为0.176W。如果充电器的充电时间为2 h，放电时间为4 h，一个完整的充放电周期共消耗电流为42×6=252(mA)，所以要完全消除电池不平衡，则需要两个周期。如果减小负载到40Ω则只需要1个周期。为了使电流平衡效果达到最佳，建议平衡负载在40～200Ω。

1.4 锂电池充电过程

将锂电池充电分成三个阶段：电池激活阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。

(1)当单个电池电压在3.0 V以下时，电池先需要被激活，充电电流为0.05～0.15 A，这里设置act=0.06A；

(2)当单个电池电压达到3.0 V时，进入恒流充电，充电电流为0.5～1 A，这里设置rap=0.8 A；

(3)当恒流充电到电压为4.2 V时，进入恒压充电，这里设置rap=4.2 V；

(4)当恒压充电电流下降到0.07～0.2 A时，充电结束，这里设置stop=0.06 A；

锂电池充电电流及电压变化曲线参考文献[4]。

2 硬件设计

为了有效地实现电池充放电流平衡算法，电池组中的各电池电压及电流必须得到准确测量。

2.1 电池充放电流平衡的电流及电压计算

带有电池电流平衡的充电器电路结构如图2所示，MCU采用Cypress公司PSoC系列的CY 8C24423器件。通过MCU的PWM信号来控制Q2和Q1，实现充电电流大小的调节；MOS管Q4、Q5直接受到IO口逻辑电平控制，高电平关断，低电平导通；电池组中的各个电压检测点经过RC滤波连到MCU的AD转换器；R23为高精度电阻，用于检测电池组电流的大小。

电池组电流即流过R23的电流为：

图2 锂电池充放电电流平衡电路

为了消除内部运放和AD采样电路对AD采样值的影响，本文提出一种两次差值法。在固件设计时，每次先屏蔽模拟输入线（AMUX），测试出运放内部电路的1值，然后再通过固件将模拟输入线与外部信号电路连上，测出2值，将两者进行差值得到Δ，消除了内部电路对采样值的影响。

2.2 电池充放电流平衡的算法设计

(1)电池放电状态的电流平衡算法设计

锂电池在进入深度放电后，阻抗会急剧增加，可达到几个欧姆，使得×得到的电压不是电池的真正电压，因此在电流平衡算法设计时要避开这个阶段。在放电状态下，除了电压本身的测量误差外还需要加上电池内部阻抗的误差值。经过实验，这里选择了电池有效使用时的中间电压disch_mid= (3.0+4.3)/2作为切换点，当工作电流在1 A以下且电池电压大于disch_mid时，电池的内部阻抗在0.2Ω以下，阻抗的微小变化不会对误差电压造成影响。

当满足如下条件：两节电池的电压差异大于设定的最小平衡电压(max－min＞disch_balmin)；较大的电池的电压大于中间电压时(max＞mid)，启动放电状态下电池电流平衡。disch_balmin包括测量误差和阻抗误差即disch_balmin=meas_err+in_err。meas_err为0.015 V，in_err为0.02 V，平衡算法流程如图3所示。

(2)电池充电状态的电流平衡算法设计

图3 电池充放电电流平衡算法

锂电池在充电状态下，如果要避开阻抗差异造成的电压误差，最好的方法在进行电池电压的测量时关闭充电功能。通过这种方式得到的电池电压，有效消除了阻抗的影响，电压的误差就只存在测量误差。因此在充电状态下，在电池的整个充电过程中都可以应用电池平衡算法。

当满足如下条件：两节电池的电压差异大于设定的最小平衡电压；充电电流大于最小设定的充电电流，启动充电状态下电池电流平衡。，平衡算法流程如图3所示。

(3)电池组内电池分流与MOS管旁路的逻辑控制

平衡电池1和平衡电池2是通过MCU的bal1和bal2的IO端口的逻辑电平进行控制，当bal1为0，bal2为1，则Q5导通，Q4截止，电池cell1通过旁路进行分流，达到平衡电池1的目的；电池2也类似。

3 测试及结论

设置电池电流平衡算法检测的时间间隔为20 s，即每隔20 s就执行一次电池电流平衡算法，判断是否需要进行电池的电流平衡操作。算法测试主要参数如下：

对两节锂电池进行电池电流平衡算法的验证，通过采集串口输出的数据，得到电池充放电电流变化曲线如图4所示，电池充放电时的电流平衡活动与电池电压变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，经过电池电流平衡算法后，两电池的充电电压变化曲线接近一致；第二次两电池的电压放电曲线跟第一次相比，效果明显改善。该电池电流平衡算法有效地解决了因锂电池组中各电池电压不同，导致电池电流过度充电或过度放电的问题。通过简单改变相关的参数，该算法可以广泛应用于在充放电时多节电池需要电流平衡的场合。

图4 电池充放电电流曲线

图5 电池充放电时的电流平衡活动与电池电压变化曲线

[1]王天福,刘强,李志强.动力锂电池组充放电智能管理系统设计与实现[J].电源技术,2011,35(9):1069-1071.

[2]黄勤,严贺彪,凌睿.串联锂电池组无损均衡管理方案设计与实现[J].计算机工程,2011,37(12):226-229.

[3]吴铁洲,陈学广,张杰,等.HEV锂离子串联电池组混合均衡策略研究[J].华中科技大学学报：自然科学版,2011,39(2):102-104.

[4]牛黎明.锂电池在线充放电管理电路的设计[J].电子技术应用, 2002(4):11-13.

Research on current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging

According to excessive charge and discharge problem lead by the capacity imbalance of each cellof Li-ion battery,a current-balancing algorithm of Li-ion battery charging and discharging process was proposed.Current shunting was achieved by paralleling a load of a MOS with a current-lim iting resistor to each cell.During the current and voltage measurementprocess，in order to elim inate the impactof the internalcircuiton AD sam pling value,tw ice difference method was proposed.Start-up time and conditions of the current-balancing algorithm and involving parameters were analyzed and calculated.The current-balancing algorithm was tested in the two-cellseries battery. Experimental results show that the charge and discharge voltage curves for two cells are nearly identicalby using the algorithm.Satisfactory battery current-balancing results were achieved.

Li-ion battery;charging and discharging;current-balancing algorithm;MOSFET;twice differencemethod

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0835-03

GEHai-jiang

2013-10-18

葛海江(1980—)，男，浙江省人，讲师，主要研究方向为传感器技术应用、无线通讯。