本文針對(duì)動(dòng)力鋰電池成組使用，各節(jié)鋰電池均要求充電過電壓、放電欠電壓、過流、短路的保護(hù)，充電過程中要實(shí)現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，介紹了一種采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片對(duì)任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰電池進(jìn)行保護(hù)的含均衡充電功能的電池組保護(hù)板的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該保護(hù)板的保護(hù)功能完善，工作穩(wěn)定，性價(jià)比高。

常用的均衡充電技術(shù)包括恒定分流電阻均衡充電、通斷分流電阻均衡充電、平均電池電壓均衡充電、開關(guān)電容均衡充電、降壓型變換器均衡充電、電感均衡充電等。成組的鋰電池串聯(lián)充電時(shí)，應(yīng)保證每節(jié)電池均衡充電，否則使用過程中會(huì)影響整組電池的性能和壽命。而現(xiàn)有的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片均不含均衡充電控制功能，多節(jié)鋰電池保護(hù)芯片均衡充電控制功能需要外接CPU;通過和保護(hù)芯片的串行通訊(如I2C總線)來實(shí)現(xiàn)，加大了保護(hù)電路的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)難度、降低了系統(tǒng)的效率和可靠性、增加了功耗。

本文針對(duì)動(dòng)力鋰電池成組使用，各節(jié)鋰電池均要求充電過電壓、放電欠電壓、過流、短路的保護(hù)，充電過程中要實(shí)現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，介紹了一種采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片對(duì)任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰電池進(jìn)行保護(hù)的含均衡充電功能的電池組保護(hù)板的設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該保護(hù)板保護(hù)功能完善，工作穩(wěn)定，性價(jià)比高，均衡充電誤差小于50mV.

1鋰電池組保護(hù)板均衡充電原理結(jié)構(gòu)

采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片設(shè)計(jì)的具備均衡充電能力的鋰電池組保護(hù)板結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

圖1鋰電池組保護(hù)板結(jié)構(gòu)框圖

其中：1為單節(jié)鋰離子電池;2為充電過電壓分流放電支路電阻;3為分流放電支路控制用開關(guān)器件;4為過流檢測保護(hù)電阻;5為省略的鋰電池保護(hù)芯片及電路連接部分;6為單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片(一般包括充電控制引腳CO，放電控制引腳DO，放電過電流及短路檢測引腳VM，電池正端VDD，電池負(fù)端VSS等);7為充電過電壓保護(hù)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅(qū)動(dòng)主電路中充電控制用MOS管柵極;8為放電欠電壓、過流、短路保護(hù)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅(qū)動(dòng)主電路中放電控制用MOS管柵極;9為充電控制開關(guān)器件;10為放電控制開關(guān)器件;11為控制電路;12為主電路;13為分流放電支路。單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片數(shù)目依據(jù)鋰電池組電池?cái)?shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對(duì)所對(duì)應(yīng)單節(jié)鋰電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。該系統(tǒng)在充電保護(hù)的同時(shí)，通過保護(hù)芯片控制分流放電支路開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)均衡充電，該方案有別于傳統(tǒng)的在充電器端實(shí)現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設(shè)計(jì)應(yīng)用的成本。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1充電電路

當(dāng)鋰電池組充電時(shí)，外接電源正負(fù)極分別接電池組正負(fù)極BAT+和BAT-兩端，充電電流流經(jīng)電池組正極BAT+、電池組中單節(jié)鋰電池1~N、放電控制開關(guān)器件、充電控制開關(guān)器件、電池組負(fù)極BAT-，電流流向如圖2所示。

圖2鋰電池組充電電路

系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片的充電過電壓保護(hù)控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離后并聯(lián)輸出，為主電路中充電開關(guān)器件的導(dǎo)通提供柵極電壓;如某一節(jié)或幾節(jié)鋰電池在充電過程中先進(jìn)入過電壓保護(hù)狀態(tài)，則由過電壓保護(hù)信號(hào)控制并聯(lián)在單節(jié)鋰電池正負(fù)極兩端的分流放電支路放電，同時(shí)將串接在充電回路中的對(duì)應(yīng)單體鋰電池?cái)嚯x出充電回路。

2.2主電路及分流放電支路

鋰電池組串聯(lián)充電時(shí)，忽略單節(jié)電池容量差別的影響，一般內(nèi)阻較小的電池先充滿。此時(shí)，相應(yīng)的過電壓保護(hù)信號(hào)控制分流放電支路的開關(guān)器件閉合，在原電池兩端并聯(lián)上一個(gè)分流電阻。根據(jù)電池的PNGV等效電路模型，此時(shí)分流支路電阻相當(dāng)于先充滿的單節(jié)鋰電池的負(fù)載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在充滿狀態(tài)附近一個(gè)極小的范圍內(nèi)。假設(shè)第1節(jié)鋰電池先充電完成，進(jìn)入過電壓保護(hù)狀態(tài)，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。當(dāng)所有單節(jié)電池均充電進(jìn)入過電壓保護(hù)狀態(tài)時(shí)，全部單節(jié)鋰電池電壓大小在誤差范圍內(nèi)完全相等，各節(jié)保護(hù)芯片充電保護(hù)控制信號(hào)均變低，無法為主電路中的充電控制開關(guān)器件提供柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即實(shí)現(xiàn)均衡充電，充電過程完成。

圖3主電路及分流放電支路

單節(jié)電池兩端并接的放電支路電阻可根據(jù)鋰電池充電器的充電電壓大小以及鋰電池的參數(shù)和放電電流的大小計(jì)算得出。均衡電流應(yīng)合理選擇，如果太小，均衡效果不明顯;如果太大，系統(tǒng)的能量損耗大，均衡效率低，對(duì)鋰電池組熱管理要求高，一般電流大小可設(shè)計(jì)在50~100mA之間。

2.3放電電路

當(dāng)電池組放電時(shí)，外接負(fù)載分別接電池組正負(fù)極BAT+和BAT-兩端，放電電流流經(jīng)電池組負(fù)極BAT-、充電控制開關(guān)器件、放電控制開關(guān)器件、電池組中單節(jié)鋰電池N~1和電池組正極BAT+，電流流向如圖4所示。系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片的放電欠電壓保護(hù)、過流和短路保護(hù)控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離后串聯(lián)輸出，為主電路中放電開關(guān)器件的導(dǎo)通提供柵極電壓;一旦電池組在放電過程中遇到單節(jié)鋰電池欠電壓或者過流和短路等特殊情況，對(duì)應(yīng)的單節(jié)鋰電池放電保護(hù)控制信號(hào)變低，無法為主電路中的放電控制開關(guān)器件提供柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即結(jié)束放電使用過程。

圖4電池組放電電路

一般鋰電池采用恒流-恒壓(TAPER)型充電控制，恒壓充電時(shí)，充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小。系統(tǒng)中充放電主回路的開關(guān)器件可根據(jù)外部電路要求滿足的最大工作電流和工作電壓選型。

控制電路的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片可根據(jù)待保護(hù)的單節(jié)鋰電池的電壓等級(jí)、保護(hù)延遲時(shí)間等選型。分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分流放電支路電阻較為合理，可以有效消除電阻偏差的影響，此外，還能起到降低熱功耗的作用。

3均衡充電保護(hù)板電路仿真

根據(jù)上述均衡充電保護(hù)板電路工作的基本原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，模擬鋰電池組充放電過程中保護(hù)板工作的情況，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。為簡單起見，給出了鋰電池組僅由2節(jié)鋰電池串聯(lián)的仿真模型，如圖5所示。

圖5 2節(jié)鋰電池串聯(lián)均充保護(hù)仿真模型 模型中用受控電壓源代替單節(jié)鋰電池，模擬電池充放電的情況。圖5中，Rs為串聯(lián)電池組的電池總內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片S28241封裝為一個(gè)子系統(tǒng)，使整體模型表達(dá)時(shí)更為簡潔。

保護(hù)芯片子系統(tǒng)模型主要用邏輯運(yùn)算模塊、符號(hào)函數(shù)模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時(shí)模塊、開關(guān)模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊等模擬了保護(hù)動(dòng)作的時(shí)序與邏輯。由于仿真環(huán)境與真實(shí)電路存在一定的差別，仿真時(shí)不需要濾波和強(qiáng)弱電隔離，而且多余的模塊容易導(dǎo)致仿真時(shí)間的冗長。因此，在實(shí)際仿真過程中，去除了濾波、光耦隔離、電平調(diào)理等電路，并把為大電流分流設(shè)計(jì)的電阻網(wǎng)絡(luò)改為單電阻，降低了仿真系統(tǒng)的復(fù)雜程度。建立完整的系統(tǒng)仿真模型時(shí)，要注意不同模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)和信號(hào)類型可能存在差異，必須正確排列模塊的連接順序，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，模型中用電壓檢測模塊實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換連接問題。

仿真模型中受控電壓源的給定信號(hào)在波形大體一致的前提下可有微小差別，以代表電池個(gè)體充放電的差異。圖6為電池組中單節(jié)電池電壓檢測仿真結(jié)果，可見采用過流放電支路均充的辦法，該電路可正常工作。

圖6鋰電池電壓檢測仿真結(jié)果

4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)某品牌電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2組并聯(lián)、10節(jié)串聯(lián)的36V8A.h錳酸鋰動(dòng)力電池組保護(hù)板，其中單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片采用日本精工公司的S28241，保護(hù)板主要由主電路、控制電路、分流放電支路以及濾波、光耦隔離和電平調(diào)理電路等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。放電支路電流選擇在800mA左右，采用510Ω電阻串并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。

圖7鋰電池組保護(hù)板調(diào)試

調(diào)試工作主要分為電壓測試和電流測試兩部分。電壓測試包括充電性能檢測過電壓、均充以及放電性能檢測欠電壓兩步?？梢赃x擇采用電池模擬電源供應(yīng)器代替實(shí)際的電池組進(jìn)行測試，由于多節(jié)電池串聯(lián)，該方案一次投入的測試成本較高。也可以使用裝配好的電池組直接進(jìn)行測試，對(duì)電池組循環(huán)充放電，觀測過壓和欠壓時(shí)保護(hù)裝置是否正常動(dòng)作，記錄過充保護(hù)時(shí)各節(jié)電池的實(shí)時(shí)電壓，判斷均衡充電的性能。但此方案一次測試耗費(fèi)時(shí)間較長。對(duì)電池組作充電性能檢測時(shí)，采用3位半精度電壓表對(duì)10節(jié)電池的充電電壓監(jiān)測，可見各節(jié)電池都在正常工作電壓范圍內(nèi)，并且單體之間的差異很小，充電過程中電壓偏差小于100mV，滿充電壓4.2V、電壓偏差小于50mV.電流測試部分包括過流檢測和短路檢測兩步。過流檢測可在電阻負(fù)載與電源回路間串接一電流表，緩慢減小負(fù)載，當(dāng)電流增大到過流值時(shí)，看電流表是否指示斷流。短路檢測可直接短接電池組正負(fù)極來觀測電流表狀態(tài)。在確定器件完好，電路焊接無誤的前提下，也可直接通過保護(hù)板上電源指示燈的狀態(tài)進(jìn)行電流測試。