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动力锂电池组掩护板平衡 充电方案剖析

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、短路的掩护,充电历程中要完成 整组电池平衡 充电的效果 ,先容 了一种接纳单节锂电池掩护芯片对恣意 串联数的成组锂电池举行 掩护的含平衡 充电成效 的电池组掩护板的设计方案。经由 仿真效果 和工业消费 运用 证明 ,该掩护板的掩护成效 完善,事情动摇 ,性价比高。

0序文

       经常 运用 的平衡 充电手艺 征求 恒定分流电阻平衡 充电、通断分流电阻平衡 充电、平均 电池电压平衡 充电、开关电容平衡 充电、降压型变幻 器平衡 充电、电感平衡 充电等。成组的锂电池串联充电时,应保险 每节电池平衡 充电,否则运用 历程中会浸染 整组电池的功用 和寿命。而现有的单节锂电池掩护芯片均不含平衡 充电控制成效 ,多节锂电池掩护芯片平衡 充电控制成效 需求 外接CPU;经过 和掩护芯片的串行通讯(如I2C总线)来完成 ,加大了掩护电路的严重 水平 和设计难度、降低了系统 的效率和牢靠 性、增添 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、短路的掩护,充电历程中要完成 整组电池平衡 充电的效果 ,先容 了一种接纳单节锂电池掩护芯片对恣意 串联数的成组锂电池举行 掩护的含平衡 充电成效 的电池组掩护板的设计方案。仿真效果 和工业消费 运用 证明 ,该掩护板掩护成效 完善,事情动摇 ,性价比高,平衡 充电误差小于50mV。

1 锂电池组掩护板平衡 充电原理结构

接纳单节锂电池掩护芯片设计的具有 平衡 充电才干 的锂电池组掩护板结构 框图如下图1所示。

图1锂电池组掩护板结构 框图

其中: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 电支路控制用开关器件;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邻 局限 ;6为单节锂电池掩护芯片(一样往常 征求 充电控制引脚CO,放电控制引脚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为充电过电压掩护信号经光耦隔离后构成 并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极;8为放电欠电压、过流、短路掩护信号经光耦隔离后构成 串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极;9为充电控制开关器件;10为放电控制开关器件;11为控制电路;12为主电路;13为分流放 电支路。单节锂电池掩护芯片数目依据 锂电池组电池数目确定,串联运用 ,划分对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路形状 举行 掩护。该系统 在充电掩护的同时,经过 掩护芯片控制分流放 电支路开关器件的通断完成 平衡 充电,该方案有别于传统的在充电器端完成 平衡 充电的做法,降低了锂电池组充电器设计运用 的本钱 。

2 硬件设计

2.1充电电路

当锂电池组充电时,外接电源正负极划分接电池组正负极BAT+和BAT-中间 ,充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1~N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、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

系统 中控制电路局限 单节锂电池掩护芯片的充电过电压掩护控制信号经光耦隔离后并联输入 ,为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压;如某一节或几节锂电池在充电历程中先进入过电压掩护形状 ,则由过电压掩护信号控制并联在单节锂电池正负极中间 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,疏忽 单节电池容量分别 的浸染 ,一样往常 内阻较小的电池先充溢 。此时,照应 的过电压掩护信号控制分流放 电支路的开关器件紧闭 ,在原电池中间 并联上一个分流电阻。凭证 电池的PNGV等效电路模子 ,此时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 形状 周围 一个极小的规模内。假定 第1节锂电池先充电完成,进入过电压掩护形状 ,则主电路及分流放 电支路中电流流向如图3所示。当一切 单节电池均充电进入过电压掩护形状 时,一切 单节锂电池电压巨细在误差规模内完全相等,各节掩护芯片充电掩护控制信号均变低,无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压,使其关断,主回路断开,即完成 平衡 充电,充电历程完成。

图3主电路及分流放 电支路

单节电池中间 并接的放电支路电阻可凭证 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盘算得出。平衡 电流应合理选择,若是 太小,平衡 效果不显着 ;若是 太大,系统 的能量消耗 大,平衡 效率低,对锂电池组热管理 要求高,一样往常 电流巨细可设计在50~100mA之间。

2.3放电电路

当电池组放电时,外接负载划分接电池组正负极BAT+和BAT-中间 ,放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、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。系统 中控制电路局限 单节锂电池掩护芯片的放电欠电压掩护、过流和短路掩护控制信号经光耦隔离后串联输入 ,为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压;一旦电池组在放电历程中遇到单节锂电池欠电压或许 过流和短路等特殊情形 ,对应的单节锂电池放电掩护控制信号变低,无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压,使其关断,主回路断开,即竣事 放电运用 历程。

图4电池组放电电路

一样往常 锂电池接纳恒流-恒压(TAPER)型充电控制,恒压充电时,充电电流近似指数纪律减小。系统 中充放电主回路的开关器件可凭证 外部 电路要求知足 的最大事情电流和事情电压选型。

控制电路的单节锂电池掩护芯片可凭证 待掩护的单节锂电池的电压品级、掩护延迟时间 等选型。分流放 电支路电阻可接纳功率电阻或电阻网络完成 。这里接纳电阻网络完成 分流放 电支路电阻较为合理,可以有用 消弭 电阻误差 的浸染 ,此外,还能起到降低热功耗的作用。

3 平衡 充电掩护板电路仿真

凭证 上述平衡 充电掩护板电路事情的基底子 理,在Matlab/Simulink情形 下搭建了系统 仿真模子 ,模仿 锂电池组充放电历程中掩护板事情的情形 ,验证该设计方案的可行性。为简朴 起见,给出了锂电池组仅由2节锂电池串联的仿真模子 ,如图5所示。

图5 2节锂电池串联均充掩护仿真模子

模子 中用受控电压源取代单节锂电池,模仿 电池充放电的情形 。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。所接纳的单节锂电池掩护芯片S28241封装为一个子系统 ,使全体 模子 表达 时更为精练 。

掩护芯片子系统 模子 主要 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、数学运算模块等模仿 了掩护举动 的时序与逻辑。因为 仿真情形 与真实电路存在一定的分别 ,仿真时不需求 滤波和强弱电隔离,而且多余的模块容易招致 仿真时间 的冗长。是以 ,在理想 仿真历程中,去除了滤波、光耦隔离、电平调治等电路,并把为大电流分流设计的电阻网络改为单电阻,降低了仿真系统 的严重 水平 。树立 完整 的系统 仿真模子 时,要注重 分别 模块的输入 输入 数据和信号类型能够 存在分别 ,必需 准确 陈列 模块的毗邻 顺序,需要 时举行 数据类型的转换,模子 中用电压检测模块完成 了强弱信号的转换毗邻 效果 。

仿真模子 中受控电压源的给定信号在波形概略分歧 的条件 下可有粗大 分别 ,以代表电池集体 充放电的分别 。图6为电池组中单节电池电压检测仿真效果 ,可见接纳过流放 电支路均充的措施,该电路可正常事情。

图6 锂电池电压检测仿真效果

  4系统 实验

理想 运用 中,针对某品牌电动自行车消费 厂的需求,设计完成 了2组并联、10节串联的36V8A.h锰酸锂动力电池组掩护板,其中单节锂电池掩护芯片接纳日本精工公司的S28241,掩护板主要 由主电路、控制电路、分流放 电支路以及滤波、光耦隔离和电平调治电路等局限 组成,其基本 结构 如图7所示。放电支路电流选择在800mA左右,接纳510Ω电阻串并联组成电阻网络。

图7 锂电池组掩护板调试

调试事情主要 分为电压实验 和电流实验 两局限 。电压实验 征求 充电功用 检测过电压、均充以及放电功用 检测欠电压两步。可以选择接纳电池模仿 电源供应 器取代理想 的电池组举行 实验 ,因为 多节电池串联,该方案一次投入的实验 本钱 较高。也可使 用装配 好的电池组直接举行 实验 ,对电池组循环充放电,视察过压和欠压时掩护装置 能否 正常举动 ,纪录过充掩护时各节电池的实时电压,判别 平衡 充电的功用 。但此方案一次实验 泯灭时间 较长。对电池组作充电功用 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,可见各节电池都在正常事情电压规模内,而且单体之间的分别 很小,充电历程中电压误差 小于100mV,满充电压4.2V、电压误差 小于50mV.电流实验 局限 征求 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,看电流表能否 指示断流。短路检测可直接短接电池组正负极来视察电流表形状 。在确定器件完整 ,电路焊接无误的条件 下,也可直接经过 掩护板上电源指示灯的形状 举行 电流实验 。

理想 运用 中,思量 到外部 滋扰能够 会惹起 电池电压不动摇 的情形 ,这样会形成 电压极短时间 的过压或欠压,从而招致 电池掩护电路错误判别 ,是以 在掩护芯片配有照应 的延时逻辑,需要 时可在掩护板上添加延时电路,这样将有用 降低外部 滋扰形成 掩护电路误举动 的能够 性。因为 电池组不事情时,掩护板上各开关器件处于断开形状 ,故静态消耗 险些为0.当系统 事情时,主要 消耗 为主电路中2个MOS管上的通态消耗 ,当充电形状 下平衡 电路事情时,分流支路中电阻热消耗 较大,但时间 较短,全体 静态 消耗 在电池组正常事情的周期内处于可以接受 的水平 。

经实验 ,该掩护电路的设计可以 知足 串联锂电池组掩护的需求 ,掩护成效 完全 ,能牢靠 地举行 过充电、过放电的掩护,同时完成 平衡 充电成效 。

凭证 运用 的需求 ,在改动 掩护芯片型号和串联数,电路中开关器件和能耗元件的功率品级之后,可对恣意 结构 和电压品级的动力锂电池组完成 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计等。最终的多款工业产品 价钱合理,经3年市场磨练 无返修产品 。

  5 结论

本文接纳单节锂电池掩护芯片设计完成 了多节锂电池串联的电池组掩护板,除可完成需要 的过电压、欠电压、过电流和短路掩护成效 外,还可以完成 平衡 充电成效 。仿真和实验效果 验证了该方案的可行性,市场运用 情形 磨练 了该设计的动摇 性。


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