圖1鋰電池組保護(hù)板結(jié)構(gòu)框圖
詳解鋰電池組保護(hù)板均衡充電工作-KIA MOS 管
發(fā)布時(shí)間:2021-01-07 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】鋰電池保護(hù)板均衡原理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。
鋰電池保護(hù)板均衡原理
鋰電池保護(hù)板均衡原理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(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。
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