1、鋰離子電池組保護板均衡充電原理結(jié)構(gòu)

采用單節(jié)鋰離子電池保護芯片設(shè)計的具備均衡充電能力的鋰離子電池組保護板結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

其中：1為單節(jié)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(guān)器件；4為過流檢測保護電阻；5為省略的鋰離子電池保護芯片及電路連接部分；6為單節(jié)鋰離子電池保護芯片（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為充電過電壓保護信號經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅(qū)動主電路中充電控制用MOS管柵極；鋰離子電池保護板均衡原理8為放電欠電壓、過流、短路保護信號經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅(qū)動主電路中放電控制用MOS管柵極；9為充電控制開關(guān)器件；10為放電控制開關(guān)器件；11為控制電路；12為主電路；13為分流放電支路。鋰離子電池保護板均衡原理單節(jié)鋰離子電池保護芯片數(shù)目依據(jù)鋰離子電池組電池數(shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對所對應單節(jié)鋰離子電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進行保護。該系統(tǒng)在充電保護的同時，通過保護芯片控制分流放電支路開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)均衡充電，該方法有別于傳統(tǒng)的在充電器端實現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰離子電池組充電器設(shè)計應用的成本。

2硬件設(shè)計

2.1充電電路

當鋰離子電池保護板均衡原理鋰離子電池組充電時，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(jīng)電池組正極BAT+、電池組中單節(jié)鋰離子電池1~N、放電控制開關(guān)器件、充電控制開關(guān)器件、電池組負極BAT-,電流流向如圖2所示。

系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰離子電池保護芯片的充電過電壓保護控制信號經(jīng)光耦隔離后并聯(lián)輸出，為主電路中充電開關(guān)器件的導通供應柵極電壓；如某一節(jié)或幾節(jié)鋰離子電池在充電過程中先進入過電壓保護狀態(tài)，鋰離子電池保護板均衡原理則由過電壓保護信號控制并聯(lián)在單節(jié)鋰離子電池正負極兩端的分流放電支路放電，同時將串接在充電回路中的對應單體鋰離子電池斷離出充電回路。

2.2主電路及分流放電支路

鋰離子電池組串聯(lián)充電時，忽略單節(jié)電池容量差別的影響，一般內(nèi)阻較小的電池先充滿。此時，相應的過電壓保護信號控制分流放電支路的開關(guān)器件閉合，在原電池兩端并聯(lián)上一個分流電阻。根據(jù)電池的PNGV等效電路模型，此時分流支路電阻相當于先充滿的單節(jié)鋰離子電池的負載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在充滿狀態(tài)附近一個極小的范圍內(nèi)。假設(shè)第1節(jié)鋰離子電池先充電完成，進入過電壓保護狀態(tài)，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。鋰離子電池保護板均衡原理當所有單節(jié)電池均充電進入過電壓保護狀態(tài)時，全部單節(jié)鋰離子電池電壓大小在誤差范圍內(nèi)完全相等，各節(jié)保護芯片充電保護控制信號均變低，無法為主電路中的充電控制開關(guān)器件供應柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即實現(xiàn)均衡充電，充電過程完成。

單節(jié)電池兩端并接的放電支路電阻可根據(jù)鋰離子電池充電器的充電電壓大小以及鋰離子電池的參數(shù)和放電電流的大小計算得出。均衡電流應合理選擇，假如太小，均衡效果不明顯；假如太大，系統(tǒng)的能量損耗大，均衡效率低，對鋰離子電池組熱管理要求高，一般電流大小可設(shè)計在50~100mA之間。

2.3放電電路

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(jīng)電池組負極BAT-、充電控制開關(guān)器件、放電控制開關(guān)器件、電池組中單節(jié)鋰離子電池N~1和電池組正極BAT+,電流流向如圖4所示。鋰離子電池保護板均衡原理系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰離子電池保護芯片的放電欠電壓保護、過流和短路保護控制信號經(jīng)光耦隔離后串聯(lián)輸出，為主電路中放電開關(guān)器件的導通供應柵極電壓；一旦電池組在放電過程中遇到單節(jié)鋰離子電池欠電壓或者過流和短路等特殊情況，對應的單節(jié)鋰離子電池放電保護控制信號變低，無法為主電路中的放電控制開關(guān)器件供應柵極偏壓，使其關(guān)斷，主回路斷開，即結(jié)束放電使用過程。

一般鋰離子電池采用恒流-恒壓（TAPER）型充電控制，恒壓充電時，充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小。系統(tǒng)中充放電主回路的開關(guān)器件可根據(jù)外部電路要求滿足的最大工作電流和工作電壓選型。

鋰離子電池保護板均衡原理控制電路的單節(jié)鋰離子電池保護芯片可根據(jù)待保護的單節(jié)鋰離子電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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用途。

3均衡充電保護板電路仿真

根據(jù)上述鋰離子電池保護板均衡原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，模擬鋰離子電池組充放電過程中保護板工作的情況，驗證該設(shè)計方法的可行性。為簡單起見，給出了鋰離子電池組僅由2節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的仿真模型，如圖5所示。

模型中用受控電壓源代替單節(jié)鋰離子電池，模擬電池充放電的情況。圖5中，Rs為串聯(lián)電池組的電池總內(nèi)阻，RL為負載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節(jié)鋰離子電池保護芯片S28241封裝為一個子系統(tǒng)，使整體模型表達時更為簡潔。

鋰離子電池保護板均衡原理保護芯片子系統(tǒng)模型重要用邏輯運算模塊、符號函數(shù)模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時模塊、開關(guān)模塊、數(shù)學運算模塊等模擬了保護動作的時序與邏輯。由于仿真環(huán)境與真實電路存在一定的差別，仿真時不要濾波和強弱電隔離，而且多余的模塊容易導致仿真時間的冗長。因此，在實際仿真過程中，去除了濾波、光耦隔離、電平調(diào)理等電路，并把為大電流分流設(shè)計的電阻網(wǎng)絡(luò)改為單電阻，降低了仿真系統(tǒng)的復雜程度。建立完整的系統(tǒng)仿真模型時，要注意不同模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)和信號類型可能存在差異，必須正確排列模塊的連接順序，必要時進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，模型中用電壓檢測模塊實現(xiàn)了強弱信號的轉(zhuǎn)換連接問題。

鋰離子電池保護板均衡原理仿真模型中受控電壓源的給定信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(jié)電池電壓檢測仿真結(jié)果，可見采用過流放電支路均充的辦法，該電路可正常工作。