郁百超
　　
　　湖北省电力信息通信公司
　　
　　摘要：本文介绍蓄电池的无损充电及自行车、汽车、火车的微功耗电驱动系统。“整体串联恒流、单体并联恒压”的充电方法，实现了无损充电，无损的含意有两层，一是充电功率基本无损耗，二是电池本身在充放电过程中完全无损害，该无损充电机仅由简单电路实现，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；“只须把输入功率中极小部份进行传统功率变换，就可以得到全部输出功率”，实现了微功耗电驱动，即输入功率中绝大部份既不必进行实际的功率变换，也不必通过磁芯变压器或电感传递，直接到达输出端而成为输出功率，该微功耗电驱动系统的主功率器件不采用PWM脉宽调制，电路简单，功耗极小而寿命极长，其成本、体积、重量、功耗都是传统电驱动系统的十分之一。
　　　　
　　所谓传统功率变换器，是指一切主功率器件采用脉宽调制（PWM）技术，用磁芯变压器或电感传递功率，会产生强烈EMI干扰的功率变换器，其最大特点是，整机功率损耗（包括功率器件二极管结的功率损耗、磁芯损耗等）与整个输入功率成正比，比如输入交流功率必须全部通过整流二极管，整流后的直流电压必须全部通过桥式电路，变换后的脉宽调制方波必须全部通过磁芯变压器，等等。所谓微功耗功率变换器，是指其整机功耗非常小、极小、接近零，其最大特点是，整机功率损耗只与输入功率中的极小部份成正比，而与输入功率中的极大部份无关，比如输入交流功率只有极小部份通过整流二极管，整流后的直流电压只有极小部份通过桥式电路，变换后的脉宽调制方波只有极小部份通过磁芯变压器，等等。这正是之所以能达到微功耗的关键，同时主电路不产生高频损耗、饱和损耗、截止损耗、变压器损耗及一切损耗，也不产生EMI干扰，实际变换效率100%。
　　
　　1无损充电
　　
　　1.1背景
　　
　　锂离子电池由于单体电压高、体积小、重量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等，是一种理想电源。在实际使用中，为了获得更高的放电电压，一般将至少两只单体电池串联组成电池组使用。目前，锂离子电池组已广泛应用于笔记本电脑、电动自行车和备用电源等多种领域，同时是方兴未艾的电动汽车的最佳动力源[1]。
　　
　　锂离子蓄电池对充放电的要求，与铅酸等可逆电化学反应类蓄电池完全不同。由于锂离子蓄电池成组应用技术、系统集成关键技术和关键零部件及产品研究，严重滞后于锂离子蓄电池的发展，电池成组后发生过充电、过放电、超温和过流问题，致使成组锂离子蓄电池使用寿命大幅缩短，安全性大幅下降，甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故，已经成为制约锂离子蓄电池产业发展的主要问题，也是当前节能与新能源汽车产业发展的技术瓶颈。
　　
　　我国电动汽车技术发展到今天，在车用动力电池、电机、电传动等领域，已经取得了一批不错的成果。车用动力电池技术虽然还不是很成熟，但发展的速度与发达国家相比并不算慢。对电池单体进行测量时，显示出的各项指标基本达到设计要求。但是，真正集成为一个动力总成，或者集成到整车上的时候，却发现与单体测量时的情况有很大出入。车用动力电池总成并非将一个个单体电池串联或并联在一起就行了那么简单。将数十个甚至上百个电池集成在一起，并将它们集成到车上，在世界范围内都是一项高新技术，绝不是看起来那么容易的事情，有能力解决这一难题的单位或个人也不是太多。锂离子蓄电池系统主要包括电池系统、充电系统、放电系统和维护管理系统，是一个函括多个技术领域和行业的高技术集成系统[2]。
　　
　　1.２传统充电方法[1]
　　
　　①串联充电法：目前锂离子电池组的充电一般都采用串联充电，这主要是因为串联充电结构简单、成本较低、容易实现。但由于单体锂离子电池在容量、内阻、衰减、自放电等性能存在差异，将100只放电容量都为100Ah的锂离子电池串联起来组成电池组，但如果成组前其中99只单体锂离子电池荷电80Ah，另外1只单体锂离子电池荷电100Ah，将此电池组进行串联充电时，其中荷电100Ah的那只单体锂离子电池会先充满电，从而达到过充保护电压，为了防止这只单体锂离子电池被过充电，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，也就使得其他99只电池无法充满，从而整个电池组放电容量也就只有80Ah。串联充电的缺点是：要么电池组充不满，浪费电池组的容量，要么产生过充，发生电池爆炸的危险。图1是磷酸铁锂和锰酸锂离子电池充电特性曲线，当前者端电压充到3.8V、后者端电压充到4.8V以上时，极有可能产生燃烧或爆炸。

　　　　
　　②电池管理系统和充电机协调配合串联充电法：电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备，所以将电池管理系统和充电机之间建立联系，就能使充电机实时地了解电池的信息，从而更有效地解决电池的充电时产生一些的问题，但其仍属串联充电，因而继承了串联充电的一切缺点。
　　
　　③并联充电法：为了解决电池组中某些单体电池过充和充不满的问题，产生了并联充电法，但是并联充电法需要采用多个低电压、大电流的充电电源为每一只单体电池充电，存在充电电源成本高、可靠性低、充电效率低。设动力汽车采用三相交流电机，其逆变器输入直流电压288V，应由80个单体电压3.7V的锂动力电池组提供动力，并联充电机必须80个完全隔离、输出电流200A恒流、输出电压3.7V恒压的直流电源，这些完全隔离的恒流恒压直流电源必须适时接入和断开，其复杂程度在实践中几乎是不可能实现的。
　　
　　④串联大电流加并联小电流充电法：由于上述三种充电方法都存在问题，另发展出一种最适合高电压电池组，特别是电动汽车电池组的充电方法，即采用电池管理系统和充电机协调配合、串联大电流、恒压限流的并联小电流充电方法，这种充电法虽然综合了上述三种充电法的优点，却完全继承了三者的所有缺点。
　　
　　1.3锂离子动力电池无损充电机
　　
　　锂离子动力电池无损充电机[5]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。
　　
　　(1)无损充电机充电原理
　　
　　图2(a)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T1、T2、D1、R2和T3、T4、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T2，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2(b)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。
　　
　　(2)无损充电机放电原理

　　　　
　　图3是无损充电机放电（包括充电）的原理电路，T5控制充电电源V1的接入和断开，T6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T6的栅源极，T6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T6的栅极，T6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T6的栅极，T6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T6的栅源极，T6开通，电池组继续对负载放电。
　　
　　单体电池E1，连同与之并联的并联稳压电路Va和开关电路SW1，构成一个基本单元，此基本单元可以任意级联，对任意数目的锂离子动力单体电池组成的电池组进行充放电。
　　
　　(3)电动轿车96V锂离子动力电池组
　　
　　图4是电动轿车96V锂离子动力电池组充电电压的仿真波形，单体电池26个，端电压3.7V，26个单体电池端电压从2V到3.3V不等，依次相差0.05V，充电终了时，每个单体电池端电压完全相等，都等于与每个单体电池并联的稳压电源输出电压的设定值3.75V，单体电池充电终止端电压，等于与其并联的并联稳压电路输出电压的设定值，此设定值可以人为调整，所以单体电池充电终止端电压可以人为控制，电动轿车96V锂离子动力电池组的充电电路请参考文献[5]。
　　
　　电动轿车采用三相电机驱动，则锂离子动力电池组端电压为288V，需3.7V单体电池78个串联，充电电路略显复杂，但由于整个充电电路完全由相同的简单电路级联而成，且无大电流、高电压开关的通断操作，实现起来非常容易，具体电路和仿真波形请参考文献[5]。

　　
　　
　　(4)恒流恒压电源
　　

　　图2中的充电电源V1是恒流恒压电源，如图5所示，左边是恒流恒压电源的实际电路，输入电压波形是整流后的馒头波，中间是负载电阻R8输出电流的仿真波形，右边是负载电阻R8输出电压的仿真波形，负载电阻R8从8Ω变到30Ω，流经负载电阻R8的电流基本不变，其上电压从50V变化到200V，负载电阻越大，输出电压越高，说明输出电流具备恒流特性，但电阻R8上电压有一个极限值，此值由MOS管T29的栅极电压，即由四个齐纳二极管D21、D23、D24、D27的击穿电压界定。锂离子电池组在整个充电过程中，最高电压绝对不会超过此界定值，因此，充电安全可靠。

　　作者简介
　　
　　郁百超(1943-),男。工学硕士。湖北省电力信息通信公司高级工程师(已退休),中国电源学会交流电源专业委员会专家,化学与物理电源系统杂志专题主编,中国电源工业协会常务理事。拥有国家发明专利多项,国内外发表论文多篇,目前研究方向:清洁能源系统及其应用。
　　
　　(未完待续)

【红尘有你】