串聯(lián)鋰電池均衡充電電池組保護(hù)板方案2021-05-29 08:53
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。
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。
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)，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。
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。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。
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。
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。
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。
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。
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)，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。
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。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。
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。
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。
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