鋰電池保護板均衡原理-鋰電池組保護板均衡充電工作詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-06-22
成組鋰電池串聯(lián)充電時(shí)，應保證每節電池均衡充電，否則使用過(guò)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(kāi)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。而現有的單節鋰電池保護芯片均不含均衡充電控制功能;多節鋰電池保護芯片均衡充電控制功能需要外接CPU，通過(guò)和保護芯片的串行通訊（如I2C總線(xiàn)）來(lái)實(shí)現，加大了保護電路的復雜程度和設計難度、降低了系統的效率和可靠性、增加了功耗。
本文針對動(dòng)力鋰電池成組使用鋰電池保護板均衡原理，各節鋰電池均要求充電過(guò)電壓、放電欠電壓、過(guò)流、短路的保護，充電過(guò)程中要實(shí)現整組電池均衡充電的問(wèn)題，介紹了一種采用單節鋰電池保護芯片對任意串聯(lián)數的成組鋰電池進(jìn)行保護的含均衡充電功能的電池組保護板的設計方案。經(jīng)過(guò)仿真結果和工業(yè)生產(chǎn)應用證明，該保護板的保護功能完善，工作穩定，性?xún)r(jià)比高。
鋰電池保護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(kāi)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)，應保證每節電池均衡充電，否則使用過(guò)程中會(huì )影響整組電池的性能和壽命。而現有的單節鋰電池保護芯片均不含均衡充電控制功能，多節鋰電池保護芯片均衡充電控制功能需要外接CPU;通過(guò)和保護芯片的串行通訊（如I2C總線(xiàn)）來(lái)實(shí)現，加大了保護電路的復雜程度和設計難度、降低了系統的效率和可靠性、增加了功耗。
本文針對動(dòng)力鋰電池成組使用，各節鋰電池均要求充電過(guò)電壓、放電欠電壓、過(guò)流、短路的保護，充電過(guò)程中要實(shí)現整組電池均衡充電的問(wèn)題，介紹了一種采用單節鋰電池保護芯片對任意串聯(lián)數的成組鋰電池進(jìn)行保護的含均衡充電功能的電池組保護板的設計方案。仿真結果和工業(yè)生產(chǎn)應用證明，該保護板保護功能完善，工作穩定，性?xún)r(jià)比高，均衡充電誤差小于50mV。
采用單節鋰電池保護芯片設計的具備均衡充電能力的鋰電池組保護板結構框圖如下圖1所示。
圖1鋰電池組保護板結構框圖
其中：1為單節鋰離子電池；2為充電過(guò)電壓分流放電支路電阻；3為分流放電支路控制用開(kāi)關(guān)器件；4為過(guò)流檢測保護電阻；5為省略的鋰電池保護芯片及電路連接部分；6為單節鋰電池保護芯片（一般包括充電控制引腳CO,放電控制引腳DO,放電過(guò)電流及短路檢測引腳VM,電池正端VDD,電池負端VSS等）；7為充電過(guò)電壓保護信號經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅動(dòng)主電路中充電控制用MOS管柵極；鋰電池保護板均衡原理8為放電欠電壓、過(guò)流、短路保護信號經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅動(dòng)主電路中放電控制用MOS管柵極；9為充電控制開(kāi)關(guān)器件；10為放電控制開(kāi)關(guān)器件；11為控制電路；12為主電路；13為分流放電支路。鋰電池保護板均衡原理單節鋰電池保護芯片數目依據鋰電池組電池數目確定，串聯(lián)使用，分別對所對應單節鋰電池的充放電、過(guò)流、短路狀態(tài)進(jìn)行保護。該系統在充電保護的同時(shí)，通過(guò)保護芯片控制分流放電支路開(kāi)關(guān)器件的通斷實(shí)現均衡充電，該方案有別于傳統的在充電器端實(shí)現均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設計應用的成本。
當鋰電池保護板均衡原理鋰電池組充電時(shí)，外接電源正負極分別接電池組正負極BAT+和BAT-兩端，充電電流流經(jīng)電池組正極BAT+、電池組中單節鋰電池1~N、放電控制開(kāi)關(guān)器件、充電控制開(kāi)關(guān)器件、電池組負極BAT-,電流流向如圖2所示。
圖2鋰電池組充電電路
系統中控制電路部分單節鋰電池保護芯片的充電過(guò)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(kāi)關(guān)器件的導通提供柵極電壓；如某一節或幾節鋰電池在充電過(guò)程中先進(jìn)入過(guò)電壓保護狀態(tài)，鋰電池保護板均衡原理則由過(guò)電壓保護信號控制并聯(lián)在單節鋰電池正負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應單體鋰電池斷離出充電回路。
2.2主電路及分流放電支路
鋰電池組串聯(lián)充電時(shí)，忽略單節電池容量差別的影響，一般內阻較小的電池先充滿(mǎn)。此時(shí)，相應的過(guò)電壓保護信號控制分流放電支路的開(kāi)關(guān)器件閉合，在原電池兩端并聯(lián)上一個(gè)分流電阻。根據電池的PNGV等效電路模型，此時(shí)分流支路電阻相當于先充滿(mǎn)的單節鋰電池的負載，該電池通過(guò)其放電，使電池端電壓維持在充滿(mǎn)狀態(tài)附近一個(gè)極小的范圍內。假設第1節鋰電池先充電完成，進(jìn)入過(guò)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。鋰電池保護板均衡原理當所有單節電池均充電進(jìn)入過(guò)電壓保護狀態(tài)時(shí)，全部單節鋰電池電壓大小在誤差范圍內完全相等，各節保護芯片充電保護控制信號均變低，無(wú)法為主電路中的充電控制開(kāi)關(guān)器件提供柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開(kāi)，即實(shí)現均衡充電，充電過(guò)程完成。
圖3主電路及分流放電支路
單節電池兩端并接的放電支路電阻可根據鋰電池充電器的充電電壓大小以及鋰電池的參數和放電電流的大小計算得出。均衡電流應合理選擇，如果太小，均衡效果不明顯；如果太大，系統的能量損耗大，均衡效率低，對鋰電池組熱管理要求高，一般電流大小可設計在50~100mA之間。
當電池組放電時(shí)，外接負載分別接電池組正負極BAT+和BAT-兩端，放電電流流經(jīng)電池組負極BAT-、充電控制開(kāi)關(guān)器件、放電控制開(kāi)關(guān)器件、電池組中單節鋰電池N~1和電池組正極BAT+,電流流向如圖4所示。鋰電池保護板均衡原理系統中控制電路部分單節鋰電池保護芯片的放電欠電壓保護、過(guò)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(kāi)關(guān)器件的導通提供柵極電壓；一旦電池組在放電過(guò)程中遇到單節鋰電池欠電壓或者過(guò)流和短路等特殊情況，對應的單節鋰電池放電保護控制信號變低，無(wú)法為主電路中的放電控制開(kāi)關(guān)器件提供柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開(kāi)，即結束放電使用過(guò)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)，充電電流近似指數規律減小。系統中充放電主回路的開(kāi)關(guān)器件可根據外部電路要求滿(mǎn)足的最大工作電流和工作電壓選型。
鋰電池保護板均衡原理控制電路的單節鋰電池保護芯片可根據待保護的單節鋰電池的電壓等級、保護延遲時(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。這里采用電阻網(wǎng)絡(luò )實(shí)現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。
根據上述鋰電池保護板均衡原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了系統仿真模型，模擬鋰電池組充放電過(guò)程中保護板工作的情況，驗證該設計方案的可行性。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，給出了鋰電池組僅由2節鋰電池串聯(lián)的仿真模型，如圖5所示。
圖5 2節鋰電池串聯(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)電池組的電池總內阻，RL為負載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節鋰電池保護芯片S28241封裝為一個(gè)子系統，使整體模型表達時(shí)更為簡(jiǎn)潔。
鋰電池保護板均衡原理保護芯片子系統模型主要用邏輯運算模塊、符號函數模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時(shí)模塊、開(kāi)關(guān)模塊、數學(xué)運算模塊等模擬了保護動(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)不需要濾波和強弱電隔離，而且多余的模塊容易導致仿真時(shí)間的冗長(cháng)。因此，在實(shí)際仿真過(guò)程中，去除了濾波、光耦隔離、電平調理等電路，并把為大電流分流設計的電阻網(wǎng)絡(luò )改為單電阻，降低了仿真系統的復雜程度。建立完整的系統仿真模型時(shí)，要注意不同模塊的輸入輸出數據和信號類(lèi)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)行數據類(lèi)型的轉換，模型中用電壓檢測模塊實(shí)現了強弱信號的轉換連接問(wèn)題。
鋰電池保護板均衡原理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(gè)體充放電的差異。圖6為電池組中單節電池電壓檢測仿真結果，可見(jiàn)采用過(guò)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果
實(shí)際應用中，針對某品牌電動(dòng)自行車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)的需求，設計實(shí)現了2組并聯(lián)、10節串聯(lián)的36V8A.h錳酸鋰動(dòng)力電池組保護板，其中單節鋰電池保護芯片采用日本精工公司的S28241,保護板主要由主電路、控制電路、分流放電支路以及濾波、光耦隔離和電平調理電路等部分組成，鋰電池保護板均衡原理其基本結構如圖7所示。放電支路電流選擇在800mA左右，采用510Ω電阻串并聯(lián)構成電阻網(wǎng)絡(luò )。
圖7 鋰電池組保護板調試
調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(guò)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器代替實(shí)際的電池組進(jìn)行測試，由于多節電池串聯(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，對電池組循環(huán)充放電，觀(guān)測過(guò)壓和欠壓時(shí)保護裝置是否正常動(dòng)作，記錄過(guò)充保護時(shí)各節電池的實(shí)時(shí)電壓，判斷均衡充電的性能。但此方案一次測試耗費時(shí)間較長(cháng)。對電池組作充電性能檢測時(shí)，采用3位半精度電壓表對10節電池的充電電壓監測，可見(jiàn)各節電池都在正常工作電壓范圍內，并且單體之間的差異很小，充電過(guò)程中電壓偏差小于100mV,滿(mǎn)充電壓4.2V、電壓偏差小于50mV.電流測試部分包括過(guò)流檢測和短路檢測兩步。過(guò)流檢測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(guò)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極來(lái)觀(guān)測電流表狀態(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(guò)保護板上電源指示燈的狀態(tài)進(jìn)行電流測試。
實(shí)際使用中，考慮到外部干擾可能會(huì )引起電池電壓不穩定的情況，這樣會(huì )造成電壓極短時(shí)間的過(guò)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(shí)邏輯，必要時(shí)可在保護板上添加延時(shí)電路，這樣將有效降低外部干擾造成保護電路誤動(dòng)作的可能性。由于電池組不工作時(shí)，保護板上各開(kāi)關(guān)器件處于斷開(kāi)狀態(tài)，故靜態(tài)損耗幾乎為0.當系統工作時(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處于可以接受的水平。
經(jīng)測試，該保護電路的設計能夠滿(mǎn)足串聯(lián)鋰電池組保護的需要，保護功能齊全，能可靠地進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電的保護，同時(shí)實(shí)現均衡充電功能。
鋰電池保護板均衡原理根據應用的需要，在改變保護芯片型號和串聯(lián)數，電路中開(kāi)關(guān)器件和能耗元件的功率等級之后，可對任意結構和電壓等級的動(dòng)力鋰電池組實(shí)現保護和均充。如采用臺灣富晶公司的FS361A單節鋰電池保護芯片可實(shí)現3組并聯(lián)、12串磷酸鐵鋰電池組保護板設計等。
鋰電池(可充型)之所以需要保護，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(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會(huì )跟著(zhù)一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。
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都處于導通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。
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(zhù)充電過(guò)程，電壓會(huì )上升到4.2V(根據正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。
電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì )使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì )繼續上升，當電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應將加劇，會(huì )導致電池損壞或出現安全問(wèn)題。
鋰電池保護板均衡原理在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)?零電壓，使T1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護作用。而此時(shí)由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電 池可以通過(guò)該二極管對外部負載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
電池在對外部負載放電過(guò)程中，其電壓會(huì )隨著(zhù)放電過(guò)程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過(guò)程中，當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海?使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池無(wú)法再對負載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護作用。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(guò)該二極管對電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護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)保護電路耗電會(huì )小于0.1μA。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定，通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而 造成誤判斷。
由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規定了其放電電流最大不能超過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì )導致電池的永久性損壞或出現安全問(wèn)題。
電池在對負載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導通阻抗，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導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使 U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路， 使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護作用。
在控制IC檢測到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)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(guò)程中可知，其過(guò)電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時(shí)，對同樣的控制IC，其過(guò)電流保護值越小。
電池在對負載放電過(guò)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則判斷為負載短路，其 “DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原 理與過(guò)電流保護類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護延時(shí)時(shí)間也不一樣。
6 結論
本文采用單節鋰電池保護芯片設計實(shí)現了多節鋰電池串聯(lián)的電池組保護板，除可完成必要的過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流和短路保護功能外，還可以實(shí)現均衡充電功能。仿真和實(shí)驗結果驗證了該方案的可行性，市場(chǎng)使用情況檢驗了該設計的穩定性。
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