廣州微宏電源科技有限公司 夏 斌

一種大功率鋰電池組過流能力測(cè)量方法研究與設(shè)計(jì)

廣州微宏電源科技有限公司 夏 斌

鋰電池組在生產(chǎn)過程中，各單體電芯連接情況、保護(hù)電路焊接情況、尤其是關(guān)鍵電路部分---電流開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的焊接情況及開關(guān)元件本身一致性和ESD受損程度的好壞影響電池組整體過流能力的表現(xiàn)。如果電流開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路部分受損將會(huì)影響到電池組整體溫度過高、過流保護(hù)異常、短路保護(hù)失效、過放保護(hù)漏電、整體靜態(tài)功耗劇增等情況發(fā)生。傳統(tǒng)過流能力檢測(cè)采用保護(hù)值上下限的簡(jiǎn)單測(cè)試，不能按照脈沖時(shí)間和數(shù)量來測(cè)試驅(qū)動(dòng)器件的可靠性，無法加嚴(yán)測(cè)試熱關(guān)斷性能。

鋰電池；保護(hù)電路；過流保護(hù)；短路保護(hù)

鋰電池目前已成為大多數(shù)人生活中的必須品，它雖造福于民，但其危險(xiǎn)性也不容小覷，尤其是大功率大容量的鋰電池，具有儲(chǔ)存能量高、電池電壓高、放電功率大、耗散發(fā)熱大等特性，已成為手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車的主要供給電源之一。電池組通常由多個(gè)單體電芯串/并聯(lián)組成，由于鋰電池本身的化學(xué)物理特性，決定了上述優(yōu)點(diǎn)的存在，但也隨之產(chǎn)生了許多危險(xiǎn)的特性。比如,鋰電池組在發(fā)生電流過大或者正負(fù)極短路的時(shí)候，如果沒有良好的過流能力及保護(hù)能力就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，輕則燒毀線束或保險(xiǎn)絲，重則會(huì)發(fā)生起火爆炸等可怕的事故。目前，對(duì)于電池組的一級(jí)保護(hù)一般采用MOS管、IGBT或繼電器作為電流開關(guān)，二級(jí)保護(hù)一般采用PTC或熔斷器作為電流開關(guān)。下文以行業(yè)內(nèi)最常用的MOS管為例進(jìn)行討論，如果MOS管驅(qū)動(dòng)電路的焊接出現(xiàn)虛焊、MOS管本身質(zhì)量缺陷或者被ESD電流破壞，產(chǎn)品使用過程中將會(huì)出現(xiàn)保護(hù)電路燒毀、甚至電池組燒毀和爆炸的危險(xiǎn)；輕微的缺陷也可能導(dǎo)致過放保護(hù)失效漏電及靜態(tài)功耗劇增，最終導(dǎo)致整個(gè)電池組的壽命縮短和續(xù)航能力衰減，嚴(yán)重影響人們的使用和安全。

本文設(shè)計(jì)一種更加快捷、可靠和準(zhǔn)確的檢測(cè)電路，原理圖如圖1與圖2。此測(cè)量方法采用恒流脈沖+分步逼近方式對(duì)電池組過流保護(hù)電路進(jìn)行加熱老化和保護(hù)效果測(cè)量,采用高精度DAC(MAX541)作為恒流電路核心參考基準(zhǔn)，每次對(duì)一組成品鋰電池進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量電池組保護(hù)板MOS管驅(qū)動(dòng)電路的抗脈沖能力和熱關(guān)斷能力。圖1是針對(duì)10～100A脈沖大功率驅(qū)動(dòng)電路的檢測(cè)設(shè)計(jì)方案。

圖1 電流脈沖驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖2 監(jiān)控及顯示電路原理圖

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電路主要功能設(shè)計(jì)

電池組過流能力測(cè)量電路主要由兩大部分組成，如圖1與圖2所示。

（1）監(jiān)控和顯示部分，圖2所示UC作為主控MCU，負(fù)責(zé)測(cè)量全局的控制、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定保存、驅(qū)動(dòng)電流的校準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器顯示設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)結(jié)果，其采用一個(gè)16MHz晶振作為主頻基準(zhǔn)，確保有足夠的速度提供微秒級(jí)別的脈沖上升/下降速度以及毫秒級(jí)別寬度的脈沖，以適應(yīng)大多數(shù)電池組保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)可將測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)通過PS串口發(fā)送給條碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存追溯。UIT采用高增益低漂移的OP07運(yùn)算放大器作為緩沖輸入，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行采樣反饋。

（2）電流脈沖驅(qū)動(dòng)部分，圖1所示采用16位高速、高分辨率及高精度DAC(MAX541)作為恒流電路核心參考基準(zhǔn)，其擁有10MHz的數(shù)字輸入速率及1uS的模擬轉(zhuǎn)換輸出速率。U2和DZ1負(fù)責(zé)恒流模擬基準(zhǔn)信號(hào)的B值補(bǔ)償調(diào)校，確保在DAC無輸出時(shí)Q1～Q5驅(qū)動(dòng)管不工作。U11采用2000V/mV更高增益的OP1177運(yùn)算放大器作為恒流模擬基準(zhǔn)信號(hào)的緩沖輸出以及作為分流器R90～R00陣列對(duì)實(shí)際電流采樣的反饋閉環(huán)控制。從而為脈沖電流分辨率控制在5mA內(nèi)，脈沖電流精度控制在±50mA公差內(nèi)提供合適的硬件支持。D11～D20采用極低正向?qū)妷旱恼鞫O管陣列作為防反接保護(hù)器件，以降低耗散功率及避免工人誤操作燒毀檢測(cè)電路。U12A構(gòu)成電池組接入感知電路以及聯(lián)合R56構(gòu)成保護(hù)后漏電判定電路，R56可根據(jù)不同漏電的特殊PCM進(jìn)行調(diào)整。B1/D9/D10構(gòu)成聲光報(bào)警通知界面，用不同的提示音和顏色提示工人電池組過流能力的好壞。S1～S4按鍵陣列用于設(shè)置過流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值、脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖步進(jìn)增量。RTI可變功率電阻根據(jù)實(shí)際脈沖大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于為Q1～Q5進(jìn)行分壓，以分擔(dān)電流回路的耗散功率，降低Q1～Q5的發(fā)熱，保證Q1～Q5在工作溫度范圍內(nèi)的一致性。

1.2 電流脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)

為了避免反饋電路產(chǎn)生自激振蕩和Q1～Q5的Ciss充電過程的影響，U11運(yùn)算放大器聯(lián)合R8與C1電路使輸入輸出存在微小的相位滯后現(xiàn)象，約幾十微秒，如果MCU直接給予設(shè)定值的恒流信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出，往往會(huì)出現(xiàn)脈沖前端尖峰過高或阻尼震蕩減小問題，導(dǎo)致脈沖失準(zhǔn)，如圖3采樣IV電壓。于是在啟動(dòng)脈沖時(shí)應(yīng)用爬梯程序。

圖3 前端尖峰過高或阻尼震蕩失準(zhǔn)波形圖

通過10級(jí)爬梯遞進(jìn)，約300uS達(dá)到設(shè)定脈沖幅值，通過MCU軟件手段控制時(shí)序，以消除前端尖峰過高或阻尼震蕩失準(zhǔn)的問題，達(dá)到圖4采樣IV電壓的平頂方波效果。

圖4 恒流脈沖+分步逼近時(shí)序波形圖

1.3 具體實(shí)施方式及控制流程

（1）按鍵設(shè)置：過流保護(hù)上/下限，過流脈沖時(shí)間、脈沖步進(jìn)幅度、脈沖間隔時(shí)間等判定標(biāo)準(zhǔn)。步進(jìn)幅度越小，脈沖個(gè)數(shù)將越多，熱關(guān)斷能力要求越高，檢測(cè)結(jié)果也越準(zhǔn)確；

（2）接上電池組，U12A自動(dòng)檢測(cè)電池組電壓有效，啟動(dòng)過流脈沖檢測(cè)；

（3）MCU首先發(fā)出7個(gè)過流保護(hù)下限值脈沖預(yù)熱電池組，U12A檢測(cè)電壓若出現(xiàn)保護(hù)，則認(rèn)為保護(hù)值偏低，LCD提示過流失敗，過流能力不足；

（4）若MCU發(fā)出下限脈沖后不出現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)，則繼續(xù)按步進(jìn)幅度遞增逐次逼近過流保護(hù)點(diǎn)，直到U12A檢測(cè)出保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)遞增的恒流值為保護(hù)近似值。LCD顯示檢測(cè)OK；

（5）若過流脈沖遞增到大于保護(hù)上限時(shí)，U12A檢測(cè)電壓仍有效，則認(rèn)為保護(hù)關(guān)斷失效或保護(hù)值超限或保護(hù)漏電異常，LCD提示過流失敗，保護(hù)失效；

（6）通信口發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)和判定結(jié)果給條碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存追溯，檢測(cè)結(jié)束。

2.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的一種大功率鋰電池組過流能力測(cè)量方法具備速度快、準(zhǔn)確性高、可靠性高、功能實(shí)用等特點(diǎn)，能發(fā)現(xiàn)普通過流檢測(cè)設(shè)備無法檢出的潛在不良。在廣州微宏電源科技有限公司實(shí)際應(yīng)用效果良好，特別是適合電動(dòng)自行車、儲(chǔ)能電池、平衡車、電動(dòng)工具等大功率電池的檢測(cè)，往往大功率器件存在的潛在失效情況遠(yuǎn)高于常規(guī)小功率產(chǎn)品，且危害也遠(yuǎn)高于常規(guī)產(chǎn)品。符合國(guó)家打造優(yōu)質(zhì)新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略方針。這種方法的缺點(diǎn)是檢測(cè)成本比傳統(tǒng)方法略微增加。

[1]闞宏林,肖亞平．鋰電池組保護(hù)板自動(dòng)測(cè)試臺(tái)研究與開發(fā)[J]．電源技術(shù),2012, 36(4):486-487．

[2]劉文超．大功率單相逆變器并聯(lián)控制與保護(hù)技術(shù)研究[D]．武漢:華中科技大學(xué),2009．

[3]許愛國(guó),謝少軍．電容電流瞬時(shí)值反饋控制逆變器的數(shù)字控制技術(shù)研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(l):49-53．

[4]陳濤,侯振義．開關(guān)電源的干擾及其抑制[J]．電源技術(shù)應(yīng)用,2005(11): 55-58．

[5]金里．鋰離子電池及其保護(hù)電路[J]．電子產(chǎn)品世界,2000(9):41-42．