单体电池电压监控电路 - 一种锂电池组均衡充电管理电路设计

　　由于单个锂电池的电压过小，为得到更大的工作电压，一般需要将锂电池串联使用。电池组充电过程中，需要对每个电池的电压情况进行实时监控，以保证每个电池工作在正常工作状态下，避免发生过充现象，损坏锂电池。

　　串联锂电池电池组中，各个锂电池的基准电平不同。假设电池组中的电池电压分别为a1 ， a2 ， ？，则对地第一节电池电压为a1 ， 第二节电池电压为a1 + a2 ， 以此类推。

　　在电压监控中我们需要对各个电池的实时电压进行比较，就必须设计一定的电路，将各个电池的电压转化到同一基准上。采取光耦隔离取样的方法可以实现电平转化，考虑到线性光耦价格是普通光耦的10 倍以上，出于工程中成本控制需要，将普通光耦线性化连接以实现电压的采集和实时监控。

　　在如图4 所示的单体电池电压监控电路中，使用了同一型号同一批次的两个普通光耦器件和两个运算放大器。两个光耦中，一个用于输出，另外一个用于反馈。反馈用来补偿发光二极管时间、温度特性上的非线性。

　　图4 电压监控电路

　　在图4 中：

　　其中： K1 ， K2 为电路中光耦U1 ，U2 的电流传输比。

　　由电路可知：

　　其中V bat 为电池两端电压。由于选用同一型号同一批次的光耦，所以电流传输比近似相等，即K1 = K2 。

　　所以，有：

　　从式（5） 可知，该测量电路的电压增益只与电阻R1 ，R2 的阻值有关，与光耦的电流传输参数等无关，从而实现了对电压信号的线性隔离。经如图所示电路转化后电池电压被转化为具有统一参考地的输出电压Vout 。

　　2. 4 部分分流控制电路

　　如图5 分流控制电路所示，充电过程中，当某一单体电压明显高于组内其他电池时，CPU 将控制端口拉高，则Q1 导通，Q2 基极电位被拉低，Q2 导通，部分电能从旁路电阻R4 分流，降低该电池充电速率，从而实现电池组各单体电池充电速率同步。

　　其中Iequ 为旁路电阻R4 上所流过的电流，即均衡电流；P 为旁路电阻R4 上所消耗的功率；Ubat 为电池两端电压。

　　图5 分流控制电路

　　均衡电流大小的选择会直接影响充电器的性能。

　　电流大，充电器整体发热量大，工作稳定性差。电流小，电压调整幅度小，速率可调整幅度小。经反复实验，当Iequ≈0. 1 Icharge 时，调整能力和发热量达到最佳平衡状态。

　　由于充电时Ubat 的范围为3~4 V ，该充电电池标称容量为2 000 mAh ，最大充电电流为2 A. 综合上面因素，R4 选择将两个47 Ω 电阻并联。

　　3 结束语

　　由于单体锂电池在制造工艺、工作环境等方面的差别，会造成锂电池组串联充电的不平衡性。运用部分分流法设计的能耗型锂电池组均衡充电器，良好地解决了电池组充电的不平衡问题。有效地防止过充现象，提高了锂电池使用的安全性，增加了电池组的充电容量，延长了锂电池组的使用寿命。经过反复试验，选择最适参数，控制了发热量，保证了充电器的长期稳定工作。在设计过程中，充分考虑了实际生产的需求。在保证实用性和可靠性的前提下，简化设计，选择常用器件，提高了性价比，具有良好的应用前景。