微功耗清洁能源存贮系统

作者：时间：2012-06-21 来源：网络收藏

5 无损充电机

锂离子动力电池无损充电机采用整体串联恒流、单体并联恒压的充电方法，对电池实现无损充电。无损的含意有两层，一是充电效率接近100%，充电功率基本无损耗，二是充、放电完全依据电池的特性曲线(请参考图1)，电池本身在充、放电过程中完全无损害。该无损充电机免除电池管理系统，仅由简单的电路实现电池系统、充电系统、放电系统和维护管理系统的所有功能，无过充、过热、过放、过流、短路现象，充电终了时所有单体电池的端电压完全相等，无须进行均衡充电，同时无易受干扰的复杂控制芯片和软件，安全可靠，简单实用，其成本、体积、重量、功耗都是传统充电机的十分之一。

整体串联恒流充电的含义是：对于电池整体，进行串联充电，充电电源采用恒流恒压直流电源。单体并联恒压控制的含义是：每个单体电池都直接并联一个并联稳压电路，所有并联稳压电路直接串联，可以理解为，对整体电池进行串联恒流充电的同时，也对所有串联的并联电路进行串联恒流充电，串联充电电流是流经电池，还是流经并联稳压电路，取决于电池充电时的实时端电压。并联稳压电路的输出电压调整为电池充电终止电压值3.75V，当某个与之并联的单体电池端电压充电到此电压值时，并联电路启动，串联恒流充电电流流经并联稳压电路，而不再流经电池，该单体电池充电停止，其他单体电池继续进行串联恒流充电，仿佛串联恒流充电对直接串联的整体电池和直接串联的并联稳压电路这两个支路同时进行充电一样，只不过充电的对象由并联稳压电路控制，因而得名单体并联恒压控制。上述整体串联恒流充电、单体并联恒压控制的充电方法，具备串联、并联充电的所有优点，完全免除了串联、并联充电的所有缺点。当充电终了时，所有单体电池的端电压都等于与之并联的并联稳压电路的输出电压设定值3.75V。锂离子单体电池之间，本来在容量、内阻、衰减、自放电等性能上存在差异，经过无损充电后，个体之间的这种差异完全消失，当然再也不会发生过充、过热现象。

图8是无损充电机充电{5}的原理电路，其中E1=2.5V，E2=2.0V是单体锂离子电池，V1是直流恒流恒压电源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3组成2个并联稳压电路Va和Vb，分别和电池E1、E2并联。V1通过电阻R1直接对锂离子电池E1、E2串联充电，当有一个电池，例如E1的端电压充到额定值，即到达并联稳压电路Va设定的稳压值时，齐纳二极管D1开通，并联稳压电路Va启动，串联充电电流流经三极管Q2，不再对E1充电，E1的端电压也不再上升;与此同时，串联充电电流继续对E2充电，直到E2充到额定值时，充电电源V1才断开，串联恒流充电终止。

图8 整体串联恒流、单体并联恒压充电原理电路图

图8右边分别是锂离子电池E1、E2充电电压的仿真波形，E1从2.5V开始充电，当其端电压充到3.75V后，充电曲线成直线，端电压不再上升，率先进入充满和并联稳压状态，V1继续对E2充电;E2从2.0V开始充电，其端电压充到额定值时，充电曲线也成一直线，和E1的充电曲线重合，因为E2起始充电电压较低，恒流充电时间较长，较后进入充满和并联稳压状态。

图9是无损充电机放电(包括充电)的原理电路，Q5控制充电电源V1的接入和断开，Q6控制电池组的放电全过程。开关S3和S4连同控制边的D3、R6和D5、R8组成两个开关电路SW1和SW2，分别和单体电池E1、E2并联，在放电过程中，E1、E2的端电压总是大于D3、D5的击穿电压，开关S3、S4闭合;同样道理，开关S2的控制边(包括D4、R7)和整个电池组并联，在放电过程中，整个电池组的端电压总是大于D4的击穿电压，开关S2闭合。开关S1的控制边通过电阻R5和开关S2、S3、S4和整个电池组并联，于是开关S1也闭合，驱动电压V2加在Q6的栅源极，Q6导通，电池组向负载R4放电。

在放电过程中，当电池组中有一个单体电池，例如E1的端电压低于额定放电电压，即低于齐纳二极管D3的击穿电压时，S3控制边失电，S3断开，于是S1控制边也失电，S1断开，驱动电压V2加不到Q6的栅极，Q6关断，电池组放电终止。当电池组过放、过流或外部短路时，电池组端电压小于D1的击穿电压，S2控制边失电，S2断开，于是S1控制边也失电，S1断开，驱动电压V2加不到Q6的栅极，Q6关断，电池组停止放电，当过流或外部短路故障解除后，蓄电池组端电压恢复正常，高于D4的击穿电压，S2控制边得电，S2闭合，同时单体电池若无过放电，则S3、S4闭合，于是S1也闭合，V2加到Q6的栅源极，Q6开通，电池组继续对负载放电。