1 引言
隨著國際性的不可再生性能源緊缺以及環境汙染問題的不斷加劇，採用新型長效無汙染的電池取代傳統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發展的必然趨勢。其工作電壓高、體積小、質量輕、比能量高、無記憶效應、無汙染、迴圈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，國內外各大鋰電池生產商針對不同型別鋰離子電池過充、過放、過流保護的要求設計有各種型號的鋰電池保護晶元，以保證電池的安全效能，避免出現電池特性惡化的現象。這類鋰電池保護晶元絕大多數適用於1～4節串聯數的鋰離子電池，極個別新型產品，如texasinstruments公司的bq77pl900晶元，適用於5～10節串聯數的鋰離子電池，其保護功能完善，在很多鋰電池保護電路中獲得廣泛應用。但是對多串聯數，如10串以上鋰電池串聯的電池組或保護晶元路數與實際應用的鋰電池組串聯數不同的情況，如果採用目前市場上的積體電路晶元來製作保護電路，存在無法實現保護或使用上不夠靈活的缺點。
另外，成組鋰電池串聯充電時，應保證每節電池均衡充電，否則使用過程中會影響整組電池的效能和壽命。常用的均衡充電技術有恆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。而現有的單節鋰電池保護晶元均不含均衡充電控制功能;多節鋰電池保護晶元均衡充電控制功能需要外接cpu,通過和保護晶元的序列通訊(如i2c匯流排)來實現，加大了保護電路的複雜程度和設計難度、降低了系統的效率和可靠性、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，充電過程中要實現整組電池均衡充電的問題，設計了採用單節鋰電池保護晶元對任意串聯數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。**結果和工業生產應用證明，該保護板保護功能完善，工作穩定，價效比高，均衡充電誤差小於50mv。
2 基本工作原理
採用單節鋰電池保護晶元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晶元及電路連線部分;6為單節鋰電池保護晶元(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為充電過電壓保護訊號經光耦隔離後形成併聯關係驅動主電路中充電控制用mos管柵極;8為放電欠電壓、過流、短路保護訊號經光耦隔離後形成串聯關係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。
單節鋰電池保護晶元數目依據鋰電池組電池數目確定，串聯使用，分別對所對應單節鋰電池的充放電、過流、短路狀態進行保護。該系統在充電保護的同時，通過保護晶元控制分流放電支路開關器件的通斷實現均衡充電，該方案有別於傳統的在充電器端實現均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設計應用的成本。
圖1 具備均衡充電能力的鋰電池組保護板示意圖
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，充電電流流經電池組正極bat+、電池組中單節鋰電池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2 充電過程
系統中控制電路部分單節鋰電池保護晶元的充電過電壓保護控制訊號經光耦隔離後併聯輸出，為主電路中充電開關器件的導通提供柵極電壓;如某一節或幾節鋰電池在充電過程中先進入過電壓保護狀態，則由過電壓保護訊號控制併聯在單節鋰電池正負極兩端的分流放電支路放電，同時將串接在充電迴路中的對應單體鋰電池斷離出充電迴路。 鋰電池組串聯充電時，忽略單節電池容量差別的影響，一般內阻較小的電池先充滿。此時，相應的過電壓保護訊號控制分流放電支路的開關器件閉合，在原電池兩端併聯上乙個分流電阻。
根據電池的pngv等效電路模型，此時分流支路電阻相當於先充滿的單節鋰電池的負載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在充滿狀態附近乙個極小的範圍內。假設第1節鋰電池先充電完成，進入過電壓保護狀態，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。當所有單節電池均充電進入過電壓保護狀態時，全部單節鋰電池電壓大小在誤差範圍內完全相等，各節保護晶元充電保護控制訊號均變低，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，主迴路斷開，即實現均衡充電，充電過程完成。
圖3 分流均衡過程
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、電池組中單節鋰電池n～1和電池組正極bat+,電流流向如圖4所示。系統中控制電路部分單節鋰電池保護晶元的放電欠電壓保護、過流和短路保護控制訊號經光耦隔離後串聯輸出，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鋰電池欠電壓或者過流和短路等特殊情況，對應的單節鋰電池放電保護控制訊號變低，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，主迴路斷開，即結束放電使用過程。
圖4 放電過程
一般鋰電池採用恆流-恆壓(taper)型充電控制，恆壓充電時，充電電流近似指數規律減小。系統中充放電主迴路的開關器件可根據外部電路要求滿足的最大工作電流和工作電壓選型。
控制電路的單節鋰電池保護晶元可根據待保護的單節鋰電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。
。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。
分流放電支路電阻可採用功率電阻或電阻網路實現。這裡採用電阻網路實現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 **模型
根據上述均衡充電保護板電路工作的基本原理，在matlab/simulink環境下搭建了系統**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節鋰電池串聯的**模型，如圖5所示。
圖5 2節鋰電池串聯均充保護**模型
模型中用受控電壓源代替單節鋰電池，模擬電池充放電的情況。圖5中，rs為串聯電池組的電池總內阻，rl為負載電阻，rd為分流放電支路電阻。所採用的單節鋰電池保護晶元s28241封裝為乙個子系統，使整體模型表達時更為簡潔。
保護芯**系統模型主要用邏輯運算模組、符號函式模組、一維查表模組、積分模組、延時模組、開關模組、數**算模組等模擬了保護動作的時序與邏輯。由於**環境與真實電路存在一定的差別，**時不需要濾波和強弱電隔離，而且多餘的模組容易導致**時間的冗長。因此，在實際**過程中，去除了濾波、光耦隔離、電平調理等電路，並把為大電流分流設計的電阻網路改為單電阻，降低了**系統的複雜程度。
建立完整的系統**模型時，要注意不同模組的輸入輸出資料和訊號型別可能存在差異，必須正確排列模組的連線順序，必要時進行資料型別的轉換，模型中用電壓檢測模組實現了強弱訊號的轉換連線問題。
**模型中受控電壓源的給定訊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為電池組中單節電池電壓檢測**結果，可見採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**結果
4 系統實驗
實際應用中，針對某品牌電動自行車生產廠的需求，設計實現了2組併聯、10節串聯的36v8a·h錳酸鋰動力電池組保護板，其中單節鋰電池保護晶元採用日本精工公司的s28241,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800ma左右，採用510ω電阻串並聯構成電阻網路。
圖7 鋰電池組保護板基本結構
除錯工作主要分為電壓測試和電流測試兩部分。電壓測試包括充電效能檢測過電壓、均充以及放電效能檢測欠電壓兩步。可以選擇採用電池模擬電源**器代替實際的電池組進行測試，由於多節電池串聯，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，對電池組迴圈充放電，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電池的實時電壓，判斷均衡充電的效能。但此方案一次測試耗費時間較長。對電池組作充電效能檢測時，採用3位半精度電壓表對10節電池的充電電壓監測，可見各節電池都在正常工作電壓範圍內，並且單體之間的差異很小，充電過程中電壓偏差小於100mv,滿充電壓4.
2v、電壓偏差小於50mv。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迴路間串接一電流錶，緩慢減小負載，當電流增大到過流值時，看電流錶是否指示斷流。
短路檢測可直接短接電池組正負極來觀測電流錶狀態。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，因此在保護晶元配有相應的延時邏輯，必要時可在保護板上新增延時電路，這樣將有效降低外部干擾造成保護電路誤動作的可能性。由於電池組不工作時，保護板上各開關器件處於斷開狀態，故靜態損耗幾乎為0。當系統工作時，主要損耗為主電路中2個mos管上的通態損耗，當充電狀態下均衡電路工作時，分流支路中電阻熱損耗較大，但時間較短，整體動態損耗在電池組正常工作的週期內處於可以接受的水平。
經測試，該保護電路的設計能夠滿足串聯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，同時實現均衡充電功能。
根據應用的需要，在改變保護晶元型號和串聯數，電路中開關器件和能耗元件的功率等級之後，可對任意結構和電壓等級的動力鋰電池組實現保護和均充。如採用台灣富晶公司的fs361a單節鋰電池保護晶元可實現3組併聯、12串磷酸鐵鋰電池組保護板設計等。最終的多款工業產品**合理，經3年市場檢驗無返修產品。
5 結論
本文採用單節鋰電池保護晶元設計實現了多節鋰電池串聯的電池組保護板，除可完成必要的過電壓、欠電壓、過電流和短路保護功能外，還可以實現均衡充電功能。**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定性。
今後可考慮採用鋰電池電量監測晶元及外圍電路實時反饋電池組電量、可續行里程、剩餘重複充電次數、電池疲勞程度等引數。隨著更高效能的電池保護晶元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。
鋰電池保護板工作原理
鋰電池保護板根據使用ic,電壓等不同而電路及引數有所不同,下面以dw01 配mos管8205a進行講解 鋰電池保護板其正常工作過程為 當電芯電壓在2.5v至4.3v之間時，dw01 的第1腳 第3腳均輸出高電平 等於供電電壓 第二腳電壓為0v。此時dw01 的第1腳 第3腳電壓將分別加到8205a的...
詳談鋰電池保護板工作原理
鋰電池保護板根據使用ic,電壓等不同而電路及引數有所不同,下面以dw01 配mos管8205a進行講解 鋰電池保護板其正常工作過程為 當電芯電壓在2.5v至4.3v之間時，dw01 的第1腳 第3腳均輸出高電平 等於供電電壓 第二腳電壓為0v。此時dw01 的第1腳 第3腳電壓將分別加到8205a的...
鋰電池保護板結構及保護原理
鄭州正方科技 眾所周知，鋰電池是當下在各個領域都會用到的新能源電池，但是鋰電池需要保護板的保護很多人都不知道，保護板在電池使用中發揮著至關重要的作用，下面我們就來了解一下保護板的結構及其保護原理。保護板有兩個核心的部件 乙個保護ic，它是由精確地比較器獲得可靠的保護引數。另外乙個是mosfet串在主...