航模平衡充电器的平衡原理(转帖）

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能耗式平衡充电器原理：

电阻放电式平衡现已被业界广泛使用，本节主要分析仅做充电平衡的航模平衡充电

器的平衡原理，下图为典型的航模平衡充电器应用电路：

    A,B端分别为主充电回路，当电池插入充电器后，主充电回路从A点至B点对电池进行充电，充电电流可根据电池容量大小为几安甚至至几百安均可，在充电过程中，假设BT2A最先到达4.2V，此时Q2打开，R2与Q2对BT2A构成放电回路，同时主充电回路必须减小充电电流，此时的充电电流应当为BT2A的放电电流。假设BT2A的放电电流为200mA,那么主充电回路的电流也必须等于200mA,这样对整个回路来看，BT2A就相当于没有充电，BT1A,BT3A均为200mA充电。直至所有电池的电压达到4.2V后充电完成。

    这里特别说下，由于次方法为能耗式放电，以放电电流太大时，电阻会产生很大的热量，尤其是多串电池中多个电池不平衡，这样就造成整机的温升很大，所以放电电流一般选为100-200mA.电池串数越多或放电电流更大时，需采取风扇散热措施，避免机内温度太高，影响其它电路的稳定性。

    以上方法为目前市场的主流平衡方式，但是随着市场需求的不断提高以及应用范围的扩展，有些设备的电池容量很大，若电池组的一致性又不是很好，此种平衡方式就不太适用，因为当有一节电池充饱后，主充电回路的电流必须马上减小，避免对此节电池过充。但是其它电池又未充饱，要用小电流将大容量的电池充饱需要一个漫长的过程。若增大放电电流，整机的温升又很高，对其它部件产生不稳定因素，所以需采一种既能大电流平衡，又发热小的方式，即能量转移式平衡，下节讨论能量转移式平衡原理。

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能量转移式锂电池组高效均衡设计原理：
    随着锂离子电池(以下简称锂电池)生产工艺的不断提高，大容量的单体锂电池已经得到了广泛的应用。相比过去，大容量的单体锂电池可以大幅度减少电池组中单体电池的数量，提高电池组系统的可靠性。同时，大容量的单体锂电池如果串(并)联使用，在管理方面有很多新的要求，本文在对比以往的电池组管理系统(BMS)的基础上，提出改进方案，从而实现高速、高效的电池组均衡。
锂电池组均衡系统现状分析
目前工业界最常用的方法仍然是早期的分流电阻法，这种方法效率较低但是简单可靠，很多公司也为此开发了专用的芯片，目前比较流行的是Intersil 公司生产的ISL9208/16/17系列产品，已经可以做到最多12 节中小容量单体锂电池串联。相比这些现有基于单芯片的管理系统，大容量锂电池有如下特点：首先，大容量的单体锂电池成本比较高，对均衡的效率和精度要求比较高，如果电池组寿命与自身价格不能相称，将极大地限制其自身的推广和发展；其次，大容量锂电池由于自身容量大，如果均衡电流太小则效率低下，以20AH 的单体锂电池为例，充电电流在3~5A，均衡电流要求1~2A，而ISL9208 系列的自带均衡电流最大只有200mA；最后，均衡电流的增大，能量消耗型均衡已经不适用，大电流下的能量消耗以及产生的高热都会造成系统的不稳定。
均衡电路的拓扑选择
对于非能量消耗型均衡，基本原理是将能量从电压高的电池转移到相邻电压较低的电池上。一般电路拓扑主要采用的是Buck- Boost 结构(如图1 左所示)，该结构实现简单效率适中，但是在运行过程中为保持其工作在DCM状态，控制MOSFET管的PWM波占空比要小于50%，因此能量的转移只能在DT(D 为占空比，T 为开关周期)内进行。Buck- Boost 结构的输入/ 输出电流是不连续的，在某些对电流有要求的场合是不适用的。基于开关型控制的思路，本文采用的是另一种开关型拓扑———Cuk 结构(如图1 右所示)，Cuk 型结构的电路在DT 和(1- D)T 都可以进行均衡，PWM波占空比不受DCM限制，基本结构虽然比Buck- Boost 略复杂，但能量转移效率高，均衡时间短。另外，Buck- Boost 结构的开关电流是脉动的，因此一般都需要附加一个输入/ 输出低通滤波器，而Cuk 结构自身的L1、C1 就已经起了这个作用， 相比之下Cuk 结构与Buck- Boost 结构整体电路复杂程度相差不大。

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均衡电路的工作原理
    主干电路由S1、S2、L1、L2 和C1 组成，设S1 导通周期为Ton，周期为T，占空比D=Ton/T，由MCU 产生PWM波来控制S1、S2的通断。假设MCU 检测到VB1>VB2，则B1 要向B2 转移能量，MCU 向S1 发送PWM信号，S2 保持关断。此时均衡电路进入工作状态。
   (1)在Ton 期间，如图2 左所示。S1 导通，把能量输入环路闭合。此时B1 分流出的电流I1 使L1 储能，电容C1 放电I2，使L2储能并向B2 充能。
   (2)在Toff 期间，如图2 右所示。S1 断开，把能量输出环路闭合。此时B1的电流和L1的释能电流I1使C1储能，同时L2释能电流I2 向B2 充能。


    由此可知，S1无论在Ton还是Toff，B1都在向B2转移能量，体现了Cuk拓扑的高效率，电容C1是能量转移的载体，在整个周期T 中输入输出都是持续电流。反之，若MCU 检测到VB2>VB1，则向S2发送PWM信号，S1保持关断，B2向B1转移能量。
     多节锂电池串联情况下的Cuk 拓扑如图3 所示。

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控制电路设计
控制电路的框图如图4 所示，以单片机P87LPC768 为核心。P87LPC7XX 系列是Philips 公司生产的基于80C51 加速处理器结构的小型OTP 单片机，性能是标准80C51MCU 的两倍，并且价格低廉，易于成本控制。P87LPC768 内部集成了4KB 的OTP 程序存储器，可编程的I/O 端口，4 通道多路8 位A/D 转换器，2 个模拟比较器和4 通道10 位PWM，且支持外部时钟输入。因此，直接使用单片机自带的模拟比较器和PWM很方便。
将相邻两块电池的电压输出到单片机的比较器输入端，根据判断结果选择对MOSFET 开关进行控制，通过设置单片机内部存储器的值控制输出的PWM波形频率和占空比，从而实现对电池的均衡控制。均衡策略：因为使用了单片机，所以可做到实时的监测，将均衡电压设置为50mV，即相邻电池间电压差大于50mV 则开启均衡。通过软件设置MCU 周期性的检测两相邻电池的电压差值，然后将差值取绝对值与设定的均衡电压相比较，并根据差值的符号判断向哪个开关输出PWM控制波，直到电压差小于50mV 则均衡停止。

lihuan629

学习学习                                                                     

愚木琴

讲了这么多，楼主推荐个充电器吧。

抱壶者

顶贴支持！

真·希罗

回复这就楼的时候我只看完了第一种方式。首先我对电子不是很熟，先请教一下那个Q是3极管吧？作用是受控小开关对吗？如果是这样理解那么有个地方我觉得你是不是写错了？“在充电过程中，假设BT2A最先到达4.2V，此时Q2打开，R2与Q2对BT2A构成放电回路”，应该是Q2闭合吧？在整个充电过程中只要没有任何一片电芯达到4.2V（可能不同充电器可以设置），那么Q都是断开的。然后一旦有一个先到4.2V了对应的Q就闭合。我对Q闭合后的状态理解是，通过电阻将相应的电芯“短路”（这个电阻值和功率的选取和平衡电流有关）。主回路电流不流过那片电芯了，而是从接在那片电芯正极的平衡线流进充电器过R2和Q2再从负极平衡线流出进去下一片电芯的正。我也不懂，求解。

121589025

好吧，电子与电工的术语确实存在一定的差别，有必要在此更正一下，“在充电过程中，假设BT2A最先到达4.2V，此时Q2打开（导通），R2与Q2对BT2A构成放电（闭合）回路”。
“断通过短路电阻将相应的电芯短路”，事实上通过对R2和Q2合理的取值，我们应称之为“分流”而不是“电芯短路”。
能耗式平衡法在理想状态下不失为一种最简单有效的方法，但由于电阻的热稳定性及电池本身内阻的不确定性，导致了实际应用中难以消除的误差，如大家熟知的B6。

goldsun999

,高手，果然与众不同，学习了

真·希罗

121589025 发表于 2014-4-12 20:33
好吧，电子与电工的术语确实存在一定的差别，有必要在此更正一下，“在充电过程中，假设BT2A最先到达4.2V， ...

呵呵，我本来想用分流这个词的，后来我觉得2号电芯不会有电流流过所以就说它被平衡回路电阻“短路”

真·希罗

看完第二类方式了，大体明白平衡的基本思路了，就是在每个电池节点处建立一个旁路，第一种方式能耗式，将外加电流分引制电阻发热浪费了，而第二种方式是通过开关控制将充电电流分至储能元件再由储能元件给低压电池充电。不过分析的过程还有些不太明白的地方，晚点再消化一下