锂电池包保护板的均衡充电详解

摘要:本文针对动力锂电池成组运用,各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的维护,充电进程中要完结整组电池均衡充电的问题,介绍了一种选用单节锂电池维护芯片对恣意串联数的成组锂电池进行维护的含均衡充电功用的电池组维护板的规划计划.经过仿真成果和工业生产运用证明,该维护板的维护功用完善,作业安稳,性价比高.

0导言常用的均衡充电技术包含恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、均匀电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等.成组的锂电池串联充电时,应保证每节电池均衡充电,否则运用进程中会影响整组电池的功用和寿命.而现有的单节锂电池维护芯片均不含均衡充电操控功用,多节锂电池维护芯片均衡充电操控功用需求外接CPU;经过和维护芯片的串行通讯(如I2C总线)来完结,加大了维护电路的杂乱程度和规划难度、下降了体系的功率和可靠性、增加了功耗.

本文针对动力锂电池成组运用,各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的维护,充电进程中要完结整组电池均衡充电的问题,介绍了一种选用单节锂电池维护芯片对恣意串联数的成组锂电池进行维护的含均衡充电功用的电池组维护板的规划计划.仿真成果和工业生产运用证明,该维护板维护功用完善,作业安稳,性价比高,均衡充电差错小于50mV.

1锂电池组维护板均衡充电原理结构

选用单节锂电池维护芯片规划的具有均衡充电能力的锂电池组维护板结构框图如下图1所示.

图1锂电池组维护板结构框图

其间:1为单节锂离子电池;2为充电过电压分流放电支路电阻;3为分流放电支路操控用开关器材;4为过流检测维护电阻;5为省掉的锂电池维护芯片及电路衔接部分;6为单节锂电池维护芯片(一般包含充电操控引脚CO,放电操控引脚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为充电过电压维护信号经光耦阻隔后构成并联联系驱动主电路中充电操控用mos管栅极;8为放电欠电压、过流、短路维护信号经光耦阻隔后构成串联联系驱动主电路中放电操控用MOS管栅极;9为充电操控开关器材;10为放电操控开关器材;11为操控电路;12为主电路;13为分流放电支路.单节锂电池维护芯片数目依据锂电池组电池数目确定,串联运用,别离对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状况进行维护.该体系在充电维护的同时,经过维护芯片操控分流放电支路开关器材的通断完结均衡充电,该计划有别于传统的在充电器端完结均衡充电的做法,下降了锂电池组充电器规划运用的本钱.

2硬件规划

2.1充电电路

当锂电池组充电时,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、放电操控开关器材、充电操控开关器材、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

体系中操控电路部分单节锂电池维护芯片的充电过电压维护操控信号经光耦阻隔后并联输出,为主电路中充电开关器材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先进入过电压维护状况,则由过电压维护信号操控并联在单节锂电池正负极两头的分流放电支路放电,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主电路及分流放电支路

锂电池组串联充电时,忽略单节电池容量不同的影响,一般内阻较小的电池先充溢.此刻,相应的过电压维护信号操控分流放电支路的开关器材闭合,在原电池两头并联上一个分流电阻.依据电池的PNGV等效电路模型,此刻分流支路电阻相当于先充溢的单节锂电池的负载,该电池经过其放电,使电池端电压维持在充溢状况邻近一个极小的范围内.假设第1节锂电池先充电完结,进入过电压维护状况,则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示.当所有单节电池均充电进入过电压维护状况时,悉数单节锂电池电压巨细在差错范围内彻底相等,各节维护芯片充电维护操控信号均变低,无法为主电路中的充电操控开关器材供给栅极偏压,使其关断,主回路断开,即完结均衡充电,充电进程完结.

图3主电路及分流放电支路

单节电池两头并接的放电支路电阻可依据锂电池充电器的充电电压巨细以及锂电池的参数和放电电流的巨细核算得出.均衡电流应合理挑选,假如太小,均衡效果不明显;假如太大,体系的能量损耗大,均衡功率低,对锂电池组热办理要求高,一般电流巨细可规划在50~100mA之间.

2.3放电电路

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-、充电操控开关器材、放电操控开关器材、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.体系中操控电路部分单节锂电池维护芯片的放电欠电压维护、过流和短路维护操控信号经光耦阻隔后串联输出,为主电路中放电开关器材的导通供给栅极电压;一旦电池组在放电进程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊状况,对应的单节锂电池放电维护操控信号变低,无法为主电路中的放电操控开关器材供给栅极偏压,使其关断,主回路断开,即结束放电运用进程.

图4电池组放电电路

一般锂电池选用恒流-恒压(TAPER)型充电操控,恒压充电时,充电电流近似指数规律减小.体系中充放电主回路的开关器材可依据外部电路要求满意的最大作业电流和作业电压选型.

操控电路的单节锂电池维护芯片可依据待维护的单节锂电池的电压等级、维护延迟时刻等选型.分流放电支路电阻可选用功率电阻或电阻网络完结.这里选用电阻网络完结分流放电支路电阻较为合理,能够有用消除电阻误差的影响,此外,还能起到下降热功耗的效果.

3均衡充电维护板电路仿真

依据上述均衡充电维护板电路作业的根本原理,在matlab/Simulink环境下搭建了体系仿真模型,模拟锂电池组充放电进程中维护板作业的状况,验证该规划计划的可行性.为简单起见,给出了锂电池组仅由2节锂电池串联的仿真模型,如图5所示.

图52节锂电池串联均充维护仿真模型

模型顶用受控电压源代替单节锂电池,模拟电池充放电的状况.图5中,Rs为串联电池组的电池总内阻,RL为负载电阻,Rd为分流放电支路电阻.所选用的单节锂电池维护芯片S28241封装为一个子体系,使整体模型表达时更为简洁.

维护芯片子体系模型首要用逻辑运算模块、符号函数模块、一维查表模块、积分模块、延时模块、开关模块、数学运算模块等模拟了维护动作的时序与逻辑.因为仿真环境与实在电路存在必定的不同,仿真时不需求滤波和强弱电阻隔,而且剩余的模块容易导致仿真时刻的冗长.因此,在实践仿真进程中,去除了滤波、光耦阻隔、电平调度等电路,并把为大电流分流规划的电阻网络改为单电阻,下降了仿真体系的杂乱程度.树立完整的体系仿真模型时,要注意不同模块的输入输出数据和信号类型或许存在差异,必须正确排列模块的衔接次序,必要时进行数据类型的转化,模型顶用电压检测模块完结了强弱信号的转化衔接问题.

仿真模型中受控电压源的给定信号在波形大体一致的前提下可有微小不同,以代表电池个体充放电的差异.图6为电池组中单节电池电压检测仿真成果,可见选用过流放电支路均充的办法,该电路可正常作业.

图6锂电池电压检测仿真成果

4体系试验

实践运用中,针对某品牌电动自行车生产厂的需求,规划完结了2组并联、10节串联的36V8A·h锰酸锂动力电池组维护板,其间单节锂电池维护芯片选用日本精工公司的S28241,维护板首要由主电路、操控电路、分流放电支路以及滤波、光耦阻隔和电平调度电路等部分组成,其根本结构如图7所示.放电支路电流挑选在800mA左右,选用510Ω电阻串并联构成电阻网络.

图7锂电池组维护板调试

调试作业首要分为电压测验和电流测验两部分.电压测验包含充电功用检测过电压、均充以及放电功用检测欠电压两步.能够挑选选用电池模拟电源供应器代替实践的电池组进行测验,因为多节电池串联,该计划一次投入的测验本钱较高.也能够运用安装好的电池组直接进行测验,对电池组循环充放电,观测过压和欠压时维护装置是否正常动作,记录过充维护时各节电池的实时电压,判别均衡充电的功用.但此计划一次测验消耗时刻较长.对电池组作充电功用检测时,选用3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测,可见各节电池都在正常作业电压范围内,而且单体之间的差异很小,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.电流测验部分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,缓慢减小负载,当电流增大到过流值时,看电流表是否指示断流.短路检测可直接短接电池组正负极来观测电流表状况.在确定器材完好,电路焊接无误的前提下,也可直接经过维护板上电源指示灯的状况进行电流测验.

实践运用中,考虑到外部干扰或许会引起电池电压不安稳的状况,这样会形成电压极短时刻的过压或欠压,然后导致电池维护电路错误判别,因此在维护芯片配有相应的延时逻辑,必要时可在维护板上增加延时电路,这样将有用下降外部干扰形成维护电路误动作的或许性.因为电池组不作业时,维护板上各开关器材处于断开状况,故静态损耗几乎为0.当体系作业时,首要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗,当充电状况下均衡电路作业时,分流支路中电阻热损耗较大,但时刻较短,整体动态损耗在电池组正常作业的周期内处于能够接受的水平.

经测验,该维护电路的规划能够满意串联锂电池组维护的需求,维护功用完全,能可靠地进行过充电、过放电的维护,同时完结均衡充电功用.

依据运用的需求,在改动维护芯片型号和串联数,电路中开关器材和能耗元件的功率等级之后,可对恣意结构和电压等级的动力锂电池组完结维护和均充.如选用台湾富晶公司的FS361A单节锂电池维护芯片可完结3组并联、12串磷酸铁锂电池组维护板规划等.最终的多款工业产品价格合理,经3年商场检验无返修产品.

5结论