鉅大LARGE | 點擊量：867次 | 2021年08月28日
一種鋰離子電池包保護板均衡充電的設(shè)計方法
摘要：本文針對動力鋰離子電池成組使用，各節(jié)鋰離子電池均要求充電過電壓、放電欠電壓、過流、短路的保護，充電過程中要實現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，解析了一種采用單節(jié)鋰離子電池保護芯片對任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰離子電池進行保護的含均衡充電功能的電池包保護板的設(shè)計辦法。經(jīng)過仿真結(jié)果和工業(yè)加工使用證明，該保護板的保護功能完善，工作穩(wěn)定，性價比高。
0引言
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、均勻電池電壓均衡充電、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。成組的鋰離子電池串聯(lián)充電時，應保證每節(jié)電池均衡充電，否則使用過程中會影響整組電池的性能和壽命。而現(xiàn)有的單節(jié)鋰離子電池保護芯片均不含均衡充電控制功能，多節(jié)鋰離子電池保護芯片均衡充電控制功能要外接CpU;通過和保護芯片的串行通訊（如I2C總線）來實現(xiàn)，加大了保護電路的復雜程度和設(shè)計難度、降低了系統(tǒng)的效率和可靠性、新增了功耗。
本文針對動力鋰離子電池成組使用，各節(jié)鋰離子電池均要求充電過電壓、放電欠電壓、過流、短路的保護，充電過程中要實現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，解析了一種采用單節(jié)鋰離子電池保護芯片對任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰離子電池進行保護的含均衡充電功能的電池包保護板的設(shè)計辦法。仿真結(jié)果和工業(yè)加工使用證明，該保護板保護功能完善，工作穩(wěn)定，性價比高，均衡充電誤差小于50mV.
1鋰離子電池包保護板均衡充電原理結(jié)構(gòu)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
采用單節(jié)鋰離子電池保護芯片設(shè)計的具備均衡充電能力的鋰離子電池包保護板結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。
圖1鋰離子電池包保護板結(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為過流測試保護電阻；5為省略的鋰離子電池保護芯片及電路連接部分；6為單節(jié)鋰離子電池保護芯片（一般包括充電控制引腳CO,放電控制引腳DO,放電過電流及短路測試引腳VM,電池正端VDD,電池負端VSS等）；7為充電過電壓保護信號經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅(qū)動主電路中充電控制用MOS管柵極；8為放電欠電壓、過流、短路保護信號經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅(qū)動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)鋰離子電池保護芯片數(shù)目根據(jù)鋰離子電池包電池數(shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對所對應單節(jié)鋰離子電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進行保護。該系統(tǒng)在充電保護的同時，通過保護芯片控制分流放電支路開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)均衡充電，該辦法有別于傳統(tǒng)的在充電器端實現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰離子電池包充電器設(shè)計使用的成本。
2硬件設(shè)計
2.1充電電路
當鋰離子電池包充電時，外接電源正負極分別接電池包正負極bAT+和bAT-兩端，充電電流流經(jīng)電池包正極bAT+、電池包中單節(jié)鋰離子電池1~N、放電控制開關(guān)器件、充電控制開關(guān)器件、電池包負極bAT-,電流流向如圖2所示。
圖2鋰離子電池包充電電路
系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰離子電池保護芯片的充電過電壓保護控制信號經(jīng)光耦隔離后并聯(lián)輸出，為主電路中充電開關(guān)器件的導通供應柵極電壓；如某一節(jié)或幾節(jié)鋰離子電池在充電過程中先進入過電壓保護狀態(tài)，則由過電壓保護信號控制并聯(lián)在單節(jié)鋰離子電池正負極兩端的分流放電支路放電，同時將串接在充電回路中的對應單體鋰離子電池斷離出充電回路。
2.2主電路及分流放電支路
鋰離子電池包串聯(lián)充電時，忽略單節(jié)電池容量差別的影響，一般內(nèi)阻較小的電池先洋溢。此時，相應的過電壓保護信號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)上一個分流電阻。依據(jù)電池的pNGV等效電路模型，此時分流支路電阻相當于先洋溢的單節(jié)鋰離子電池的負載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在洋溢狀態(tài)附近一個極小的范圍內(nèi)。假設(shè)第1節(jié)鋰離子電池先充電完成，進入過電壓保護狀態(tài)，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。當所有單節(jié)電池均充電進入過電壓保護狀態(tài)時，全部單節(jié)鋰離子電池電壓大小在誤差范圍內(nèi)完全相等，各節(jié)保護芯片充電保護控制信號均變低，無法為主電路中的充電控制開關(guān)器件供應柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即實現(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依據(jù)鋰離子電池充電器的充電電壓大小以及鋰離子電池的參數(shù)和放電電流的大小計算得出。均衡電流應合理選擇，倘若太小，均衡效果不分明；倘若太大，系統(tǒng)的能量損耗大，均衡效率低，對鋰離子電池包熱管理要求高，一般電流大小可設(shè)計在50~100mA之間。
2.3放電電路
當電池包放電時，外接負載分別接電池包正負極bAT+和bAT-兩端，放電電流流經(jīng)電池包負極bAT-、充電控制開關(guān)器件、放電控制開關(guān)器件、電池包中單節(jié)鋰離子電池N~1和電池包正極bAT+,電流流向如圖4所示。系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰離子電池保護芯片的放電欠電壓保護、過流和短路保護控制信號經(jīng)光耦隔離后串聯(lián)輸出，為主電路中放電開關(guān)器件的導通供應柵極電壓；一旦電池包在放電過程中遇到單節(jié)鋰離子電池欠電壓或者過流和短路等特殊情況，對應的單節(jié)鋰離子電池放電保護控制信號變低，無法為主電路中的放電控制開關(guān)器件供應柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即結(jié)束放電使用過程。
圖4電池包放電電路
一般鋰離子電池采用恒流-恒壓（TApER）型充電控制，恒壓充電時，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)器件可依據(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)鋰離子電池保護芯片可依據(jù)待保護的單節(jié)鋰離子電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡實現(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用途。
3均衡充電保護板電路仿真
依據(jù)上述均衡充電保護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，模擬鋰離子電池包充放電過程中保護板工作的情況，驗證該設(shè)計辦法的可行性。為簡單起見，給出了鋰離子電池包僅由2節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的仿真模型，如圖5所示。
圖52節(jié)鋰離子電池串聯(lián)均充保護仿真模型
模型中用受控電壓源代替單節(jié)鋰離子電池，模擬電池充放電的情況。圖5中，Rs為串聯(lián)電池包的電池總內(nèi)阻，RL為負載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節(jié)鋰離子電池保護芯片S28241封裝為一個子系統(tǒng)，使整體模型表達時更為簡潔。
保護芯片子系統(tǒng)模型緊要用邏輯運算模塊、符號函數(shù)模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時模塊、開關(guān)模塊、數(shù)學運算模塊等模擬了保護動作的時序與邏輯。由于仿真環(huán)境與真切電路存在一定的差別，仿真時不要濾波和強弱電隔離，而且多余的模塊容易導致仿真時間的冗長。因此，在實際仿真過程中，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)計的電阻網(wǎng)絡改為單電阻，降低了仿真系統(tǒng)的復雜程度。建立完整的系統(tǒng)仿真模型時，要留意不同模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)和信號類型可能存在差異，非得正確排列模塊的連接順序，必要時進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，模型中用電壓測試模塊實現(xiàn)了強弱信號的轉(zhuǎn)換連接問題。
仿真模型中受控電壓源的給定信號在波形大體一致的前提下可有微小差別，以代表電池個體充放電的差異。圖6為電池包中單節(jié)電池電壓測試仿真結(jié)果，可見采用過流放電支路均充的方法，該電路可正常工作。
圖6鋰離子電池電壓測試仿真結(jié)果
4系統(tǒng)試驗
實際使用中，針對某品牌電動自行車加廠的需求，設(shè)計實現(xiàn)了2組并聯(lián)、10節(jié)串聯(lián)的36V8A·h錳酸鋰動力鋰離子電池包保護板，其中單節(jié)鋰離子電池保護芯片采用日本精工公司的S28241,保護板緊要由主電路、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。
圖7鋰離子電池包保護板調(diào)試
調(diào)試工作緊要分為電壓探測和電流探測兩部分。電壓探測包括充電性能測試過電壓、均充以及放電性能測試欠電壓兩步。可以選擇采用電池模擬電源供應器代替實際的電池包進行探測，由于多節(jié)電池串聯(lián)，該辦法一次投入的探測成本較高。也可以使用裝配好的電池包筆直進行探測，對電池包循環(huán)充放電，觀測過壓和欠壓時保護裝置是不是正常動作，記錄過充保護時各節(jié)電池的實時電壓，判斷均衡充電的性能。但此辦法一次探測耗費時間較長。對電池包作充電性能測試時，采用3位半精度電壓表對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.電流探測部分包括過流測試和短路測試兩步。過流測試可在電阻負載與電源回路間串接一電流表，緩慢減小負載，當電流增大到過流值時，看電流表是不是指示斷流。短路測試可筆直短接電池包正負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，也可筆直通過保護板上電源指示燈的狀態(tài)進行電流探測。
實際使用中，考慮到外部干擾可能會引起電池電壓不穩(wěn)定的情況，這樣會造成電壓極短時間的過壓或欠壓，從而導致電池保護電路錯誤判斷，因此在保護芯片配有相應的延時邏輯，必要時可在保護板上添加延時電路，這樣將有效降低外部干擾造成保護電路誤動作的可能性。由于電池包不工作時，保護板上各開關(guān)器件處于斷開狀態(tài)，故靜態(tài)損耗幾乎為0.當系統(tǒng)工作時，緊要損耗為主電路中2個MOS管上的通態(tài)損耗，當充電狀態(tài)下均衡電路工作時，分流支路中電阻熱損耗較大，但時間較短，整體動態(tài)損耗在電池包正常工作的周期內(nèi)處于可以接受的水平。
經(jīng)探測，該保護電路的設(shè)計能夠滿足串聯(lián)鋰離子電池包保護的要，保護功能齊全，能可靠地進行過充電、過放電的保護，同時實現(xiàn)均衡充電功能。
依據(jù)使用的要，在改變保護芯片型號和串聯(lián)數(shù)，電路中開關(guān)器件和能耗元件的功率等級之后，可對任意結(jié)構(gòu)和電壓等級的動力鋰離子電池包實現(xiàn)保護和均充。如采用富晶公司的FS361A單節(jié)鋰離子電池保護芯片可實現(xiàn)3組并聯(lián)、12串磷酸鐵鋰離子電池包保護板設(shè)計等。最終的多款工業(yè)產(chǎn)品價格合理，經(jīng)3年市場檢驗無返修產(chǎn)品。
5結(jié)論
本文采用單節(jié)鋰離子電池保護芯片設(shè)計實現(xiàn)了多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的電池包保護板，除可完成必要的過電壓、欠電壓、過電流和短路保護功能外，還可以實現(xiàn)均衡充電功能。仿真和試驗結(jié)果驗證了該辦法的可行性，市場使用情況檢驗了該設(shè)計的穩(wěn)定性。
