锂电池掩护板平衡道理-锂电池组掩护板平衡充电任务详解-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2018-06-22
成组锂电池串连充电时，应保障每节电池平衡充电，不然利用进程中会影响整组电池的机能和寿命。经常利用的平衡充电手艺有恒定分流电阻平衡充电、通断分流电阻平衡充电、均匀电池电压平衡充电、开关电容平衡充电、降压型变更器平衡充电、电感平衡充电等。而现有的单节锂电池掩护芯片均不含平衡充电节制功效;多节锂电池掩护芯片平衡充电节制功效须要外接CPU，经由进程和掩护芯片的串行通信（如I2C总线）来完成，加大了掩护电路的庞杂程度和设想难度、下降了体系的效力和靠得住性、增添了功耗。
本文针对能源锂电池成组利用锂电池掩护板平衡道理，各节锂电池均请求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的掩护，充电进程中要完成整组电池平衡充电的题目，先容了一种接纳单节锂电池掩护芯片对肆意串连数的成组锂电池停止掩护的含平衡充电功效的电池组掩护板的设想计划。颠末仿真成果和产业出产利用证实，该掩护板的掩护功效完美，任务不变，性价比高。
锂电池掩护板平衡道理经常利用的平衡充电手艺包含恒定分流电阻平衡充电、通断分流电阻平衡充电、均匀电池电压平衡充电、开关电容平衡充电、降压型变更器平衡充电、电感平衡充电等。成组的锂电池串连充电时，应保障每节电池平衡充电，不然利用进程中会影响整组电池的机能和寿命。而现有的单节锂电池掩护芯片均不含平衡充电节制功效，多节锂电池掩护芯片平衡充电节制功效须要外接CPU;经由进程和掩护芯片的串行通信（如I2C总线）来完成，加大了掩护电路的庞杂程度和设想难度、下降了体系的效力和靠得住性、增添了功耗。
本文针对能源锂电池成组利用，各节锂电池均请求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的掩护，充电进程中要完成整组电池平衡充电的题目，先容了一种接纳单节锂电池掩护芯片对肆意串连数的成组锂电池停止掩护的含平衡充电功效的电池组掩护板的设想计划。仿真成果和产业出产利用证实，该掩护板掩护功效完美，任务不变，性价比高，平衡充电误差小于50mV。
接纳单节锂电池掩护芯片设想的具有平衡充电才能的锂电池组掩护板布局框图以下图1所示。
图1锂电池组掩护板布局框图
此中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分放逐电歧路电阻；3为分放逐电歧路节制用开关器件；4为过流检测掩护电阻；5为省略的锂电池掩护芯片及电路毗连局部；6为单节锂电池掩护芯片（普通包含充电节制引脚CO,放电节制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等）；7为充电过电压掩护旌旗灯号经光耦断绝后组成并联干系驱动主电路中充电节制用MOS管栅极；锂电池掩护板平衡道理8为放电欠电压、过流、短路掩护旌旗灯号经光耦断绝后组成串连干系驱动主电路中放电节制用MOS管栅极；9为充电节制开关器件；10为放电节制开关器件；11为节制电路；12为主电路；13为分放逐电歧路。锂电池掩护板平衡道理单节锂电池掩护芯片数量按照锂电池组电池数量肯定，串连利用，别离对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状况停止掩护。该体系在充电掩护的同时，经由进程掩护芯片节制分放逐电歧路开关器件的通断完成平衡充电，该计划有别于传统的在充电器端完成平衡充电的做法，下降了锂电池组充电器设想利用的本钱。
当锂电池掩护板平衡道理锂电池组充电时，外接电源正负极别离接电池组正负极BAT+和BAT-两头，充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1~N、放电节制开关器件、充电节制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。
图2锂电池组充电电路
体系中节制电路局部单节锂电池掩护芯片的充电过电压掩护节制旌旗灯号经光耦断绝后并联输入，为主电路中充电开关器件的导通供给栅极电压；如某一节或几节锂电池在充电进程中进步前辈入过电压掩护状况，锂电池掩护板平衡道理则由过电压掩护旌旗灯号节制并联在单节锂电池正负极两头的分放逐电歧路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。
2.2主电路及分放逐电歧路
锂电池组串连充电时，疏忽单节电池容量差别的影响，普通内阻较小的电池先布满。此时，响应的过电压掩护旌旗灯号节制分放逐电歧路的开关器件闭合，在原电池两头并联上一个分流电阻。按照电池的PNGV等效电路模子，此时分流歧路电阻相称于先布满的单节锂电池的负载，该电池经由进程其放电，使电池端电压保持在布满状况四周一个极小的规模内。假定第1节锂电池先充电完成，进入过电压掩护状况，则主电路及分放逐电歧路中电流流向如图3所示。锂电池掩护板平衡道应当一切单节电池均充电进入过电压掩护状况时，全数单节锂电池电压巨细在误差规模内完整相称，各节掩护芯片充电掩护节制旌旗灯号均变低，没法为主电路中的充电节制开关器件供给栅极偏压，使其关断，主回路断开，即完成平衡充电，充电进程完成。
图3主电路及分放逐电歧路
单节电池两头并接的放电歧路电阻可按照锂电池充电器的充电电压巨细和锂电池的参数和放电电流的巨细计较得出。平衡电流应公道挑选，若是太小，平衡成果不较着；若是太大，体系的能量耗损大，平衡效力低，对锂电池组热办理请求高，普通电流巨细可设想在50~100mA之间。
当电池组放电时，外接负载别离接电池组正负极BAT+和BAT-两头，放电电流流经电池组负极BAT-、充电节制开关器件、放电节制开关器件、电池组中单节锂电池N~1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。锂电池掩护板平衡道理体系中节制电路局部单节锂电池掩护芯片的放电欠电压掩护、过流和短路掩护节制旌旗灯号经光耦断绝后串连输入，为主电路中放电开关器件的导通供给栅极电压；一旦电池组在放电进程中碰到单节锂电池欠电压或过流和短路等特别环境，对应的单节锂电池放电掩护节制旌旗灯号变低，没法为主电路中的放电节制开关器件供给栅极偏压，使其关断，主回路断开，即竣事放电利用进程。
图4电池组放电电路
普通锂电池接纳恒流-恒压（TAPER）型充电节制，恒压充电时，充电电流近似指数纪律减小。体系中充放电主回路的开关器件可按照内部电路请求知足的最大任务电流和任务电压选型。
锂电池掩护板平衡道理节制电路的单节锂电池掩护芯片可按照待掩护的单节锂电池的电压品级、掩护提早时候等选型。分放逐电歧路电阻可接纳功率电阻或电阻收集完成。这里接纳电阻收集完成分放逐电歧路电阻较为公道，能够或许有用消弭电阻误差的影响，另外，还能起到下降热功耗的感化。
按照上述锂电池掩护板平衡道理，在Matlab/Simulink环境下搭建了体系仿真模子，摹拟锂电池组充放电进程中掩护板任务的环境，考证该设想计划的可行性。为简略起见，给出了锂电池组仅由2节锂电池串连的仿真模子，如图5所示。
图5 2节锂电池串连均充掩护仿真模子
模子顶用受控电压源取代单节锂电池，摹拟电池充放电的环境。图5中，Rs为串连电池组的电池总内阻，RL为负载电阻，Rd为分放逐电歧路电阻。所接纳的单节锂电池掩护芯片S28241封装为一个子体系，使全体模子抒发时更加简练。
锂电池掩护板平衡道理掩护芯片子体系模子首要用逻辑运算模块、标记函数模块、一维查表模块、积分模块、延时模块、开关模块、数学运算模块等摹拟了掩护举措的时序与逻辑。因为仿真环境与实在电路存在必然的差别，仿真时不须要滤波和强弱电断绝，并且过剩的模块轻易致使仿真时候的冗杂。是以，在现实仿真进程中，去除滤波、光耦断绝、电平调度等电路，并把为大电流分流设想的电阻收集改成单电阻，下降了仿真体系的庞杂程度。成立完整的体系仿真模子时，要注重差别模块的输入输入数据和旌旗灯号范例能够或许存在差别，必须准确摆列模块的毗连挨次，须要时停止数据范例的转换，模子顶用电压检测模块完成了强弱旌旗灯号的转换毗连题目。
锂电池掩护板平衡道理仿真模子中受控电压源的给定旌旗灯号在波形大致分歧的条件下可有细小差别，以代表电池个别充放电的差别。图6为电池组中单节电池电压检测仿真成果，可见接纳过放逐电歧路均充的体例，该电路可一般任务。
图6 锂电池电压检测仿真成果
现实利用中，针对某品牌电动自行车出产厂的须要，设想完成了2组并联、10节串连的36V8A.h锰酸锂能源电池组掩护板，此中单节锂电池掩护芯片接纳日本精工公司的S28241,掩护板首要由主电路、节制电路、分放逐电歧路和滤波、光耦断绝和电平调度电路等局部组成，锂电池掩护板平衡道理其根基布局如图7所示。放电歧路电流挑选在800mA摆布，接纳510Ω电阻串并联组成电阻收集。
图7 锂电池组掩护板调试
调试任务首要分为电压测试和电流测试两局部。电压测试包含充电机能检测过电压、均充和放电机能检测欠电压两步。能够或许挑选接纳电池摹拟电源供给器取代现实的电池组停止测试，因为多节电池串连，该计划一次投入的测试本钱较高。也能够或许利用拆卸好的电池组间接停止测试，对电池组轮回充放电，观察过压和欠压时掩护装配是不是一般举措，记实过充掩护时各节电池的及时电压，判定平衡充电的机能。但此计划一次测试花费时候较长。对电池组作充电机能检测时，接纳3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测，可见各节电池都在一般任务电压规模内，并且单体之间的差别很小，充电进程中电压误差小于100mV,满充电压4.2V、电压误差小于50mV.电流测试局部包含过流检测和短路检测两步。过流检测可在电阻负载与电源回路间串接一电流表，迟缓减小负载，当电流增大到过流值时，看电流表是不是唆使断流。短路检测可间接短接电池组正负极来观察电流表状况。在肯定器件无缺，电路焊接无误的条件下，也可间接经由进程掩护板上电源唆使灯的状况停止电流测试。
现实利用中，斟酌到内部搅扰能够或许会引发电池电压不不变的环境，如许会形成电压极短时候的过压或欠压，从而致使电池掩护电路毛病判定，是以在掩护芯片配有响应的延时逻辑，须要时可在掩护板上增加延时电路，如许将有用下降内部搅扰形成掩护电路误举措的能够或许性。因为电池组不任务时，掩护板上各开关器件处于断开状况，故静态耗损几近为0.当体系任务时，首要耗损为主电路中2个MOS管上的通态耗损，当充电状况下平衡电路任务时，分流歧路中电阻热耗损较大，但时候较短，全体静态耗损在电池组一般任务的周期内处于能够或许接管的程度。
经测试，该掩护电路的设想能够或许知足串连锂电池组掩护的须要，掩护功效齐备，能靠得住地停止过充电、过放电的掩护，同时完成平衡充电功效。
锂电池掩护板平衡道理按照利用的须要，在改变掩护芯片型号和串连数，电路中开关器件和能耗元件的功率品级以后，可对肆意布局和电压品级的能源锂电池组完成掩护和均充。如接纳台湾富晶公司的FS361A单节锂电池掩护芯片可完成3组并联、12串磷酸铁锂电池组掩护板设想等。
锂电池(可充型)之以是须要掩护，是由它自身特征决议的。因为锂电池自身的材料决议了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，是以锂电池锂电组件总会跟着一块精美的掩护板和一片电流保险器呈现。
在一般状况下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输入高电压，两个MOSFET都处于导通状况，电池能够或许自在地停止充电和放电，因为MOSFET的导通阻抗很小，凡是小于30毫欧，是以其导通电阻对电路的机能影响很小。
此状况下掩护电路的耗损电流为μA级，凡是小于7μA。
锂离子电池请求的充电体例为恒流/恒压，在充电早期，为恒流充电，跟着充电进程，电压会回升到4.2V(按照正极材料差别，有的电池请求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流愈来愈小。
电池在被充电进程中，若是充电器电路落空节制，会使电池电压跨越4.2V后持续恒流充电，此时电池电压仍会持续回升，当电池电压被充电至跨越4.3V时，电池的化学副反映将加重，会致使电池破坏或呈现宁静题目。
锂电池掩护板平衡道理在带有掩护电路的电池中，当节制IC检测到电池电压到达4.28V（该值由节制IC决议，差别的IC有差别的值）时，其“CO”脚将由高电压改变为 零电压，使T1由导通转为关断，从而堵截了充电回路，使充电器没法再对电池停止充电，起到过充电掩护感化。而此时因为T1自带的体二极管VD1的存在，电 池能够或许经由进程该二极管对内部负载停止放电。
在节制IC检测到电池电压跨越4.28V至收回关断T1旌旗灯号之间，另有一段延时时候，该延时时候的是非由C2决议，凡是设为1秒摆布，以防止因搅扰而形成误判定。
电池在对内部负载放电进程中，其电压会跟着放电进程逐步下降，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完整放光，此时若是让电池持续对负载放电，将形成电池的永远性破坏。
在电池放电进程中，当节制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由节制IC决议，差别的IC有差别的值）时，其“DO”脚将由高电压改变为零电压， 使T2由导通转为关断，从而堵截了放电回路，使电池没法再对负载停止放电，起到过放电掩护感化。而此时因为T2自带的体二极管VD2的存在，充电器能够或许通 过该二极管对电池停止充电。
因为在过放电掩护状况下电池电压不能再下降，是以请求掩护电路的耗损电流极小，此时节制IC会进入低功耗状况，全部掩护电路耗电会小于0.1μA。 在节制IC检测到电池电压低于2.3V至收回关断T2旌旗灯号之间，也有一段延时时候，该延时时候的是非由C2决议，凡是设为100毫秒摆布，以防止因搅扰而 形成误判定。
因为锂离子电池的化学特征，电池出产厂家划定了其放电电流最大不能跨越2C（C=电池容量/小时），当电池跨越2C电放逐电时，将会致使电池的永远性破坏或呈现宁静题目。
电池在对负载一般放电进程中，放电电流在颠末串连的2个MOSFET时，因为MOSFET的导通阻抗，会在其两头产生一个电压，该电压值 U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，节制IC上的“V-”脚对该电压值停止检测，若负载因某种缘由致使非常，使回路电流增大，当回路电流大到使 U>0.1V（该值由节制IC决议，差别的IC有差别的值）时，其“DO”脚将由高电压改变为零电压，使T2由导通转为关断，从而堵截了放电回路， 使回路中电流为零，起到过电流掩护感化。
在节制IC检测到过电流产生至收回关断T2旌旗灯号之间，也有一段延时时候，该延时时候的是非由C2决议，凡是为13毫秒摆布，以防止因搅扰而形成误判定。
在上述节制进程中可知，其过电流检测值巨细不只取决于节制IC的节制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对一样的节制IC，其过电流掩护值越小。
电池在对负载放电进程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由节制IC决议，差别的IC有差别的值）时，节制IC则判定为负载短路，其 “DO”脚将敏捷由高电压改变为零电压，使T2由导通转为关断，从而堵截放电回路，起到短路掩护感化。短路掩护的延时时候极短，凡是小于7微秒。其任务原 理与过电流掩护近似，只是判定体例差别，掩护延时时候也不一样。
6 论断
本文接纳单节锂电池掩护芯片设想完成了多节锂电池串连的电池组掩护板，除可完成须要的过电压、欠电压、过电流和短路掩护功效外，还能够或许完成平衡充电功效。仿真和尝试成果考证了该计划的可行性，市场利用环境查验了该设想的不变性。
接洽体例：邹师长教师
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