一種鋰電池組保護板均衡充電的設(shè)計方案

本文針對動力鋰電池成組使用，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，充電過程中要實現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，介紹了一種采用單節(jié)鋰電池保護芯片對任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰電池進行保護的含均衡充電功能的電池組保護板的設(shè)計方案。經(jīng)過仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該保護板的保護功能完善，工作穩(wěn)定，性價比高。

0引言

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，應(yīng)保證每節(jié)電池均衡充電，否則使用過程中會影響整組電池的性能和壽命。而現(xiàn)有的單節(jié)鋰電池保護芯片均不含均衡充電控制功能，多節(jié)鋰電池保護芯片均衡充電控制功能需要外接CPU；通過和保護芯片的串行通訊（如I2C總線）來實現(xiàn)，加大了保護電路的復(fù)雜程度和設(shè)計難度、降低了系統(tǒng)的效率和可靠性、增加了功耗。

本文針對動力鋰電池成組使用，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，充電過程中要實現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，介紹了一種采用單節(jié)鋰電池保護芯片對任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰電池進行保護的含均衡充電功能的電池組保護板的設(shè)計方案。仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該保護板保護功能完善，工作穩(wěn)定，性價比高，均衡充電誤差小于50mV.

1鋰電池組保護板均衡充電原理結(jié)構(gòu)

采用單節(jié)鋰電池保護芯片設(shè)計的具備均衡充電能力的鋰電池組保護板結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

圖1鋰電池組保護板結(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(jié)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為充電過電壓保護信號經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅(qū)動主電路中充電控制用MOS管柵極；8為放電欠電壓、過流、短路保護信號經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅(qū)動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)鋰電池保護芯片數(shù)目依據(jù)鋰電池組電池數(shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對所對應(yīng)單節(jié)鋰電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進行保護。該系統(tǒng)在充電保護的同時，通過保護芯片控制分流放電支路開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)均衡充電，該方案有別于傳統(tǒng)的在充電器端實現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設(shè)計應(yīng)用的成本。

2硬件設(shè)計

2.1充電電路

當(dāng)鋰電池組充電時，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(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)鋰電池保護芯片的充電過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入過電壓保護狀態(tài)，則由過電壓保護信號控制并聯(lián)在單節(jié)鋰電池正負極兩端的分流放電支路放電，同時將串接在充電回路中的對應(yīng)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，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，相應(yīng)的過電壓保護信號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)上一個分流電阻。根據(jù)電池的PNGV等效電路模型，此時分流支路電阻相當(dāng)于先充滿的單節(jié)鋰電池的負載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在充滿狀態(tài)附近一個極小的范圍內(nèi)。假設(shè)第1節(jié)鋰電池先充電完成，進入過電壓保護狀態(tài)，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。當(dāng)所有單節(jié)電池均充電進入過電壓保護狀態(tài)時，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)保護芯片充電保護控制信號均變低，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，對鋰電池組熱管理要求高，一般電流大小可設(shè)計在50~100mA之間。

2.3放電電路

當(dāng)電池組放電時，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)鋰電池保護芯片的放電欠電壓保護、過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，對應(yīng)的單節(jié)鋰電池放電保護控制信號變低，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。

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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，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)鋰電池保護芯片可根據(jù)待保護的單節(jié)鋰電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(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均衡充電保護板電路仿真

根據(jù)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(tǒng)仿真模型，模擬鋰電池組充放電過程中保護板工作的情況，驗證該設(shè)計方案的可行性。為簡單起見，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)均充保護仿真模型