航天锂离子电池均衡充电技术综述

每个锂离子电池单体上都并联一个分流电阻。从电路中可以看出，电阻上的分流电流必须远大于电池的自放电电流，才能达到均衡充电的效果。一般锂离子电池的自放电电流为C/20000左右，所以流过分流电阻上的电流取C/200是比较合适的。

另外，每个分流电阻的偏差也是影响均衡效果的重要因素。经过一定次数的充放电循环后，单电池的偏差可以用下面的公式确定：

V电池电压偏差=R分流×I自放电＋2×V单电池×K电阻偏差

若分流电阻取20Ω±0.05%，则电池电压偏差能够控制在50mV范围内。每个电阻的平均功率为0.72W，但是无论电池充电过程还是电池放电过程，分流电阻始终消耗功率。

2 通断分流电阻均衡充电

通断分流电阻均衡充电原理如图6所示。

图6通断分流电阻均衡充电原理

通断分流电阻均衡充电与电阻分流均衡充电的区别就是增加了一个通断开关，这个开关的控制可以由单片机系统软件来实现，也可以通过简单的逻辑电路来实现。采用这种控制方式的均衡电路只在TAPER充电的恒压充电段工作，其他时间通断开关始终断开，这样需要电池组放电时，分流电阻不消耗宝贵的能量。在光照期，太阳电池发电功率是有富余的，这时均衡电路消耗一定的能量对于电源系统来说具有一定的合理性。在LEO轨道，这种均衡电路的工作时间只占10%左右，所以要达到上面论述的均衡效果，电阻值需减小10倍，可见峰值热功耗是相当大的，这是这种电路的主要缺点。另外，通断开关的实效是致命故障，所以必须采用冗余手段。

3 开关电容均衡充电

图7 开关电容均衡充电原理

开关电容均衡充电原理如图7所示，从图中可以看出，顺序开关驱动电路主要由时钟电路构成，它驱动多路开关顺序闭合，顺序把锂离子电池单体接入传送电容器，通过传送单电池之间的不平衡能量，达到均衡充电的目的。同时，通过测量传送电容器上的电压来监测各个单电池的电压。若某个单电池发生短路故障，低电压比较器输出开关禁止信号，禁止短路的单电池接入传送电容器，防止影响其他单电池的正常工作，同时给恒流恒压变换器送入电池低电压报警信号，使恒流恒压变换器根据单电池短路的情况确定正确的恒定电压。这种均衡电路的最大优点是能源浪费极低，缺点是电路复杂，多路开关的通态电阻、高共模限制都会影响均衡充电的实现。另一方面，参数选取比较困难，针对不同的电源系统配置，电路参数需详细的设计与验证，这对研制周期是不利的。

4 降压型变换器均衡充电

图8 降压型变换器均衡充电原理

降压型变换器均衡充电原理如图8所示。

降压型变换器均衡充电方案也是一种低消耗的均衡方案。它的思路很清晰，主回路是标准的降压式调节器，在储能电感上增加多组相同的次绕组，用于电池单体的辅助充电。显然，电压低的单电池会从次绕组上得到更多的能量，电压高的得到能量少，这样就达到了均衡充电的目的。为了得到良好的均衡效果，次绕组的一致性需要严格控制。但电感绕组的一致性是非常难于控制的，因此这是这种控制方法的一个最大缺点。这种充电方式的研究刚刚起步，充电效率、均衡效果、可靠性分析等需要进一步的深入研究。

5 平均电池电压均衡充电

图9 平均电池电压均衡充电原理

平均电池电压均衡充电原理如图9所示，图中只给出了一只单电池的均衡电路，其他各单电池也配备相同的均衡电路，其中，放大器由单电池供电。

这种均衡充电控制电路的思路是：单电池电压与平均单电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单电池分流。因此，所有单电池电压在均衡电路的作用下趋向平均电池电压。

此电路初看起来是开环控制，实际上由于电池内阻的作用，均衡电路工作在具有负反馈特性的闭环状态。为了防止均衡电路在电池组放电时工作，可以在功率开关下端串联稳压二极管，这样在电池放电时，电池电压较低而失去分流回路。

平均电池电压均衡充电电路模式已经深入研究，被认为是效果非常好的方案。这种电路被列入LEO轨道锂离子电池应用的首选方案，已经申请了法国和欧洲的专利。

结语

以上讨论了锂离子电池充电管理电路的关键技术：恒流-恒压（TAPER）充电方式和均衡充电技术。通过比较，我们认为，"单电池峰值电压限制型线性"充电控制方案比较适应小卫星的使用，可避开"旁路式"控制巨大热耗、"分流式"控制巨大脉动充电电流、"分段式"恒压充电阶段充电电流减小不连续的缺点；平均电池电压均衡充电电路适应性强，各方面指标均比较理想。