夏鯤,季諾,曹斯佳

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海 200093)

1 引言

隨著國際性的不可再生性能源緊缺以及環(huán)境污染問題的不斷加劇,采用新型長效無污染的電池取代傳統(tǒng)的鉛酸電池作為動力的電動自行車已成為電動自行車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、無記憶效應、無污染、循環(huán)壽命長的鋰離子電池的使用,使得電動自行車的動力部分越來越輕便、高效。

目前,國內(nèi)外各大IC生產(chǎn)廠商針對不同類型鋰離子電池過充、過放、過流保護的要求設計有各種型號的鋰電池保護芯片,以保證電池的安全性能,避免出現(xiàn)電池特性惡化的現(xiàn)象。這類鋰電池保護芯片絕大多數(shù)適用于1～4節(jié)串聯(lián)數(shù)的鋰離子電池,極個別新型產(chǎn)品,如 Texas Instruments公司的BQ77PL900芯片[2],適用于5～10節(jié)串聯(lián)數(shù)的鋰離子電池,其保護功能完善,在很多鋰電池保護電路中獲得廣泛應用。但是對多串聯(lián)數(shù),如10串以上鋰電池串聯(lián)的電池組或保護芯片路數(shù)與實際應用的鋰電池組串聯(lián)數(shù)不同的情況,如果采用目前市場上的集成電路芯片來制作保護電路,存在無法實現(xiàn)保護或使用上不夠靈活的缺點。

另外,成組鋰電池串聯(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。常用的均衡充電技術有恒定分流電阻均衡充電[3]、通斷分流電阻均衡充電[3]、平均電池電壓均衡充電[3]、開關電容均衡充電[4]、降壓型變換器均衡充電[5-6]、電感均衡充電[7]等。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,設計了采用單節(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。仿真結果和工業(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50 mV。

2 基本工作原理

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示意圖如圖1所示。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。

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。

圖1 具備均衡充電能力的鋰電池組保護板示意圖Fig.1 The diagram of the lithium-ion battery package protection board with equalizing charge ability

圖2 充電過程Fig.2 T he process of charge

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。

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[8],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。

圖3 分流均衡過程Fig.3 The process of equalizing charge

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,即結束放電使用過程。

圖4 放電過程Fig.4 The process of discharge

一般鋰電池采用恒流-恒壓(TAPER)型[9]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。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[10],一般電流大小可設計在50～100 mA之間。分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡實現(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 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Fig.5 The equalizing charge and protection simulation model of two lithium-ion batteries in series

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S-8241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計的電阻網(wǎng)絡改為單電阻,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)類型的轉換,模型中用電壓檢測模塊實現(xiàn)了強弱信號的轉換連接問題。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果Fig.6 The simulation results of the lithium-ion battery voltage detection

4 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,設計實現(xiàn)了2組并聯(lián)、10節(jié)串聯(lián)的36 V 8A?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S-8241,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,其基本結構如圖7所示。放電支路電流選擇在800 mA左右,采用510 Ω電阻串并聯(lián)構成電阻網(wǎng)絡。

圖7 鋰電池組保護板基本結構Fig.7 The basic structure of the lithium-ion battery package protection board

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檢測過電壓、均充以及放電性能檢測欠電壓兩步。可以選擇采用電池模擬電源供應器代替實際的電池組進行測試,由于多節(jié)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行測試,對電池組循環(huán)充放電,觀測過壓和欠壓時保護裝置是否正常動作,記錄過充保護時各節(jié)電池的實時電壓,判斷均衡充電的性能。但此方案一次測試耗費時間較長。對電池組作充電性能檢測時,采用3位半精度電壓表對10節(jié)電池的充電電壓監(jiān)測,可見各節(jié)電池都在正常工作電壓范圍內(nèi),并且單體之間的差異很小,充電過程中電壓偏差小于100 mV,滿充電壓 4.2 V、電壓偏差小于50 mV。電流測試部分包括過流檢測和短路檢測兩步。過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,當電流增大到過流值時,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觀測電流表狀態(tài)。在確定器件完好,電路焊接無誤的前提下,也可直接通過保護板上電源指示燈的狀態(tài)進行電流測試。

實際使用中,考慮到外部干擾可能會引起電池電壓不穩(wěn)定的情況,這樣會造成電壓極短時間的過壓或欠壓,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邏輯,必要時可在保護板上添加延時電路,這樣將有效降低外部干擾造成保護電路誤動作的可能性。由于電池組不工作時,保護板上各開關器件處于斷開狀態(tài),故靜態(tài)損耗幾乎為0。當系統(tǒng)工作時,主要損耗為主電路中2個MOS管上的通態(tài)損耗,當充電狀態(tài)下均衡電路工作時,分流支路中電阻熱損耗較大,但時間較短,整體動態(tài)損耗在電池組正常工作的周期內(nèi)處于可以接受的水平。

經(jīng)測試,該保護電路的設計能夠滿足串聯(lián)鋰電池組保護的需要,保護功能齊全,能可靠地進行過充電、過放電的保護,同時實現(xiàn)均衡充電功能。根據(jù)應用的需要,在改變保護芯片型號和串聯(lián)數(shù),電路中開關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力鋰電池組實現(xiàn)保護和均充。如采用臺灣富晶公司的FS361A單節(jié)鋰電池保護芯片可實現(xiàn)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)品價格合理,經(jīng)3年市場檢驗無返修產(chǎn)品。

5 結論

本文采用單節(jié)鋰電池保護芯片設計實現(xiàn)了多節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池組保護板,除可完成必要的過電壓、欠電壓、過電流和短路保護功能外,還可以實現(xiàn)均衡充電功能。仿真和實驗結果驗證了該方案的可行性,市場使用情況檢驗了該設計的穩(wěn)定性。今后可考慮采用鋰電池電量監(jiān)測芯片及外圍電路實時反饋電池組電量、可續(xù)行里程、剩余重復充電次數(shù)、電池疲勞程度等參數(shù)。隨著更高性能的電池保護芯片和電力電子開關器件不斷問世,在保護電路功耗、精度上將獲得進一步的改善。

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