多節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池保護(hù)板實(shí)現(xiàn)方案

　　1　引言

　　隨著國(guó)際性的不可再生性能源緊缺以及環(huán)境污染問題的不斷加劇，采用新型長(zhǎng)效無污染的電池取代傳統(tǒng)的鉛酸電池作為動(dòng)力的電動(dòng)自行車已成為電動(dòng)自行車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池的使用，使得電動(dòng)自行車的動(dòng)力部分越來越輕便、高效。

　　目前，國(guó)內(nèi)外各大鋰電池生產(chǎn)商針對(duì)不同類型鋰離子電池過充、過放、過流保護(hù)的要求設(shè)計(jì)有各種型號(hào)的鋰電池保護(hù)芯片，以保證電池的安全性能，避免出現(xiàn)電池特性惡化的現(xiàn)象。這類鋰電池保護(hù)芯片絕大多數(shù)適用于1～4節(jié)串聯(lián)數(shù)的鋰離子電池，極個(gè)別新型產(chǎn)品，如TexasInstruments公司的BQ77PL900芯片，適用于5～10節(jié)串聯(lián)數(shù)的鋰離子電池，其保護(hù)功能完善，在很多鋰電池保護(hù)電路中獲得廣泛應(yīng)用。但是對(duì)多串聯(lián)數(shù)，如10串以上鋰電池串聯(lián)的電池組或保護(hù)芯片路數(shù)與實(shí)際應(yīng)用的鋰電池組串聯(lián)數(shù)不同的情況，如果采用目前市場(chǎng)上的集成電路芯片來制作保護(hù)電路，存在無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)或使用上不夠靈活的缺點(diǎn)。

　　另外，成組鋰電池串聯(lián)充電時(shí)，應(yīng)保證每節(jié)電池均衡充電，否則使用過程中會(huì)影響整組電池的性能和壽命。常用的均衡充電技術(shù)有恒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(guān)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(xiàn)有的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片均不含均衡充電控制功能；多節(jié)鋰電池保護(hù)芯片均衡充電控制功能需要外接CPU,通過和保護(hù)芯片的串行通訊（如I2C總線）來實(shí)現(xiàn)，加大了保護(hù)電路的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)難度、降低了系統(tǒng)的效率和可靠性、增加了功耗。

　　本文針對(duì)動(dòng)力鋰電池成組使用，各節(jié)鋰電池均要求充電過電壓、放電欠電壓、過流、短路的保護(hù)，充電過程中要實(shí)現(xiàn)整組電池均衡充電的問題，設(shè)計(jì)了采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片對(duì)任意串聯(lián)數(shù)的成組鋰電池進(jìn)行保護(hù)的含均衡充電功能的電池組保護(hù)板。仿真結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，該保護(hù)板保護(hù)功能完善，工作穩(wěn)定，性價(jià)比高，均衡充電誤差小于50mV。

　　2　基本工作原理

　　采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片設(shè)計(jì)的具備均衡充電能力的鋰電池組保護(hù)板示意圖如圖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(cè)保護(hù)電阻；5為省略的鋰電池保護(hù)芯片及電路連接部分；6為單節(jié)鋰電池保護(hù)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(cè)引腳VM,電池正端VDD,電池負(fù)端VSS等）；7為充電過電壓保護(hù)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后形成并聯(lián)關(guān)系驅(qū)動(dòng)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(hù)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后形成串聯(lián)關(guān)系驅(qū)動(dòng)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。單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片數(shù)目依據(jù)鋰電池組電池?cái)?shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對(duì)所對(duì)應(yīng)單節(jié)鋰電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。該系統(tǒng)在充電保護(hù)的同時(shí)，通過保護(hù)芯片控制分流放電支路開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)均衡充電，該方案有別于傳統(tǒng)的在充電器端實(shí)現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設(shè)計(jì)應(yīng)用的成本。

圖1　具備均衡充電能力的鋰電池組保護(hù)板示意圖

　　當(dāng)鋰電池組充電時(shí)，外接電源正負(fù)極分別接電池組正負(fù)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(fù)極BAT-,電流流向如圖2所示。

圖2　充電過程

　　系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片的充電過電壓保護(hù)控制信號(hào)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(dǎo)通提供柵極電壓；如某一節(jié)或幾節(jié)鋰電池在充電過程中先進(jìn)入過電壓保護(hù)狀態(tài)，則由過電壓保護(hù)信號(hào)控制并聯(lián)在單節(jié)鋰電池正負(fù)極兩端的分流放電支路放電，同時(shí)將串接在充電回路中的對(duì)應(yīng)單體鋰電池?cái)嚯x出充電回路。