鋰電池組均衡充電保護(hù)板設(shè)計(jì)

中心議題：

• 鋰電池組保護(hù)板均衡充電基本工作原理
• 鋰電池組保護(hù)板均衡充電工作仿真模型

成組鋰電池串聯(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。常用的均衡充電技術(shù)有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。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，設(shè)計(jì)了采用單節(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。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。

鋰電池組保護(hù)板均衡充電基本工作原理

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)板示意圖如圖1所示。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(cè)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(cè)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。

圖1　具備均衡充電能力的鋰電池組保護(hù)板示意圖

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　充電過程

圖3　分流均衡過程

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(wú)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　放電過程

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。

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。

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。

均衡充電保護(hù)板電路工作仿真模型

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(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)。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(cè)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(cè)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(cè)仿真結(jié)果

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)板基本結(jié)構(gòu)

調(diào)試工作主要分為電壓測(cè)試和電流測(cè)試兩部分。電壓測(cè)試包括充電性能檢測(cè)過電壓、均充以及放電性能檢測(cè)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(cè)試，由于多節(jié)電池串聯(lián)，該方案一次投入的測(cè)試成本較高。也可以使用裝配好的電池組直接進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電池組循環(huán)充放電，觀測(cè)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(cè)試耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)電池組作充電性能檢測(cè)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(cè)，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(cè)試部分包括過流檢測(cè)和短路檢測(cè)兩步。過流檢測(cè)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(cè)可直接短接電池組正負(fù)極來觀測(cè)電流表狀態(tài)。在確定器件完好，電路焊接無(wú)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(cè)試。

實(shí)際使用中，考慮到外部干擾可能會(huì)引起電池電壓不穩(wěn)定的情況，這樣會(huì)造成電壓極短時(shí)間的過壓或欠壓，從而導(dǎo)致電池保護(hù)電路錯(cuò)誤判斷，因此在保護(hù)芯片配有相應(yīng)的延時(shí)邏輯，必要時(shí)可在保護(hù)板上添加延時(shí)電路，這樣將有效降低外部干擾造成保護(hù)電路誤動(dòng)作的可能性。由于電池組不工作時(shí)，保護(hù)板上各開關(guān)器件處于斷開狀態(tài)，故靜態(tài)損耗幾乎為0。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，主要損耗為主電路中2個(gè)MOS管上的通態(tài)損耗，當(dāng)充電狀態(tài)下均衡電路工作時(shí)，分流支路中電阻熱損耗較大，但時(shí)間較短，整體動(dòng)態(tài)損耗在電池組正常工作的周期內(nèi)處于可以接受的水平。

經(jīng)測(cè)試，該保護(hù)電路的設(shè)計(jì)能夠滿足串聯(lián)鋰電池組保護(hù)的需要，保護(hù)功能齊全，能可靠地進(jìn)行過充電、過放電的保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)均衡充電功能。

根據(jù)應(yīng)用的需要，在改變保護(hù)芯片型號(hào)和串聯(lián)數(shù)，電路中開關(guān)器件和能耗元件的功率等級(jí)之后，可對(duì)任意結(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)的動(dòng)力鋰電池組實(shí)現(xiàn)保護(hù)和均充。如采用臺(tái)灣富晶公司的FS361A單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片可實(shí)現(xiàn)3組并聯(lián)、12串磷酸鐵鋰電池組保護(hù)板設(shè)計(jì)等。最終的多款工業(yè)產(chǎn)品價(jià)格合理，經(jīng)3年市場(chǎng)檢驗(yàn)無(wú)返修產(chǎn)品。

結(jié)論

本文采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池組保護(hù)板，除可完成必要的過電壓、欠電壓、過電流和短路保護(hù)功能外，還可以實(shí)現(xiàn)均衡充電功能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性，市場(chǎng)使用情況檢驗(yàn)了該設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。