带你了解锂离子电池保护板芯片均衡保护充电方案

摘要：本文介绍了一种依据锂电池组均衡充电维护板的规划计划。计划选用单节锂电池维护芯片规划电池维护板，对恣意串联数的成组锂电池进行过充、过放、过流、短路维护，充电进程中完结整组电池均衡充电。在Simulink环境下，用逻辑模块和延时模块等模拟了维护芯片作业的逻辑，完结了整个维护电路作业状况的仿真。试验和工业运用成果表明，该计划所规划的均充维护体系具有运用灵敏、安稳牢靠等长处，均衡充电差错小于50mV.

1导言

常用的均衡充电技能包含恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、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，不然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，加大了维护电路的复杂程度和规划难度、降低了体系的功率和牢靠性、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，提出了一种依据锂电池组均衡充电维护板的规划计划。计划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。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.

2体系规划的根本作业原理

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示意图如图1所示。

图1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关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关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认，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，降低了锂电池组充电器规划运用的本钱。

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。

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。

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。此时，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持平，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。

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，即完毕放电运用进程。

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。

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。均衡电流应合理选择，假如太小，均衡作用不明显；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。

分流放电支路电阻可选用功率电阻或电阻网络完结。这儿选用电阻网络完结分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻误差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。

3均衡充电维护板电路作业仿真模型

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。为简略起见，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。

模型顶用受控电压源替代单节锂电池，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，使全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。因为仿真环境与真实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。因而，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，降低了仿真体系的复杂程度。建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，必须正确摆放模块的衔接顺序，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细小不同，以代表电池个别充放电的差异。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。

4体系测验及分析

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，其中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。放电支路电流选择在800mA左右，选用510Ω电阻串并联构成电阻网络。

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。可以选择选用电池模拟电源供应器替代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。也可以运用装配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，判断均衡充电的功用。但此计划一次测验耗费时刻较长。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。在确认器材无缺，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，考虑到外部搅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，从而导致电池维护电路错误判断，因而在维护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在维护板上添加延时电路，这样将有效降低外部搅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，故静态损耗简直为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，全体动态损耗在电池组正常作业的周期内处于可以接受的水平。

经测验，该维护电路的规划可以满意串联锂电池组维护的需求，维护功用齐全，能牢靠地进行过充电、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年市场检验无返修产品。

5定论

本计划采首要选用单节锂电池维护芯片规划完结了多节锂电池串联的电池组维护板，除可完结必要的过电压、欠电压、过电流和短路维护功用外，还可以完结均衡充电功用。仿真和试验成果验证了该计划的可行性，市场运用状况检验了该计划的安稳性。