一種串聯(lián)鋰電池均衡充電電池組的保護板方案

圖4　放電過程

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。

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。

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。均衡充電保護板電路工作仿真模型

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

模型中用受控電壓源代替單節(jié)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(nèi)阻，RL為負載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節(jié)鋰電池保護芯片S28241封裝為一個子系統(tǒng)，使整體模型表達時更為簡潔。

保護芯片子系統(tǒng)模型主要用邏輯運算模塊、符號函數(shù)模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時模塊、開關(guān)模塊、數(shù)學運算模塊等模擬了保護動作的時序與邏輯。由于仿真環(huán)境與真實電路存在一定的差別，仿真時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間的冗長。因此，在實際仿真過程中，去除了濾波、光耦隔離、電平調(diào)理等電路，并把為大電流分流設(shè)計的電阻網(wǎng)絡(luò)改為單電阻，降低了仿真系統(tǒng)的復雜程度。建立完整的系統(tǒng)仿真模型時，要注意不同模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)和信號類型可能存在差異，必須正確排列模塊的連接順序，必要時進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，模型中用電壓檢測模塊實現(xiàn)了強弱信號的轉(zhuǎn)換連接問題。

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，以代表電池個體充放電的差異。圖6為電池組中單節(jié)電池電壓檢測仿真結(jié)果，可見采用過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(jié)果

系統(tǒng)實驗

實際應用中，針對某品牌電動自行車生產(chǎn)廠的需求，設(shè)計實現(xiàn)了2組并聯(lián)、10節(jié)串聯(lián)的36V8A·h錳酸鋰動力電池組保護板，其中單節(jié)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(diào)理電路等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)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(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。

圖7　鋰電池組保護板基本結(jié)構(gòu)

調(diào)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