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;鋰電池保護(hù)板均衡原理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。鋰電池保護(hù)板均衡原理單節(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)鋰電池保護(hù)板均衡原理鋰電池組充電時(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)，鋰電池保護(hù)板均衡原理則由過電壓保護(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。鋰電池保護(hù)板均衡原理當(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。鋰電池保護(hù)板均衡原理系統(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。

 

鋰電池保護(hù)板均衡原理控制電路的單節(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)上述鋰電池保護(hù)板均衡原理，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。

 

鋰電池保護(hù)板均衡原理保護(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。

 

鋰電池保護(hù)板均衡原理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

 

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，鋰電池保護(hù)板均衡原理其基本結(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(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。

 

鋰電池保護(hù)板均衡原理根據(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。

 

鋰電池(可充型)之所以需要保護(hù)，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會(huì)跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。

 

1、正常狀態(tài)

 

在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。

 

此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。

 

2、過充電保護(hù)

 

鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。

 

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。

 

鋰電池保護(hù)板均衡原理在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?零電壓，使T1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電 池可以通過該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。

 

在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

 

3、過放電保護(hù)

 

電池在對(duì)外部負(fù)載放電過程中，其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。

 

在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海?使T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通 過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

 

由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。 在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而 造成誤判斷。

 

4、過電流保護(hù)

 

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時(shí))，當(dāng)電池超過2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。

 

電池在對(duì)負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值 U=I*RDS*2, RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使 U>0.1V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路， 使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。

 

在控制IC檢測(cè)到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

 

在上述控制過程中可知，其過電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過電流保護(hù)值越小。

 

5、短路保護(hù)

 

電池在對(duì)負(fù)載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其 “DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原 理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。

 

6 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。