多節鋰電池串聯(lián)的電池保護板實(shí)現方案

標簽：鋰電池 均衡充電 串聯(lián)充電

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，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，設計了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。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。

鋰電池組保護板均衡充電基本工作原理

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示意圖如圖1所示。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;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。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。

圖1　具備均衡充電能力的鋰電池組保護板示意圖

當鋰電池組充電時(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　充電過(guò)程

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)，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。

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。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　分流均衡過(guò)程

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。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　放電過(guò)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。

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。

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。

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。