一種鋰電池組保護板均衡充電的設計與實現(xiàn)

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計方案。經(jīng)過仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應用證明，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雜程度和設計難度、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計方案。仿真結(jié)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(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

采用單節(jié)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結(jié)構框圖如下圖1所示。

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圖1鋰電池組保護板結(jié)構框圖

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為充電控制開關器件;10為放電控制開關器件;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計應用的成本。

2硬件設計

2.1充電電路

當鋰電池組充電時，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、放電控制開關器件、充電控制開關器件、電池組負極BAT-，電流流向如圖2所示。

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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器件的導通提供柵極電壓;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，相應的過電壓保護信號控制分流放電支路的開關器件閉合，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器件提供柵極偏壓，使其關斷，主回路斷開，即實現(xiàn)均衡充電，充電過程完成。

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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，一般電流大小可設計在50~100mA之間。

2.3放電電路

當電池組放電時，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-、充電控制開關器件、放電控制開關器件、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器件的導通提供柵極電壓;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器件提供柵極偏壓，使其關斷，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。