多節鋰電池串聯(lián)的電池保護板實(shí)現方案

均衡充電保護板電路工作仿真模型

根據上述均衡充電保護板電路工作的基本原理，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。

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。

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

系統實(shí)驗

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，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　鋰電池組保護板基本結構

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。

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。最終的多款工業(yè)產(chǎn)品價(jià)格合理，經(jīng)3年市場(chǎng)檢驗無(wú)返修產(chǎn)品。

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。