放电过程 - 基于锂电池组均衡充电保护板的设计方案

　　一般锂电池采用恒流-恒压（TAPER）型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。

　　控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。

　　单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择，如果太小，均衡效果不明显；如果太大，系统的能量损耗大，均衡效率低，对锂电池组热管理要求高，一般电流大小可设计在50~100mA之间。

　　分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻偏差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。

　　3 均衡充电保护板电路工作仿真模型

　　根据上述均衡充电保护板电路工作的基本原理，在Matlab/Simulink环境下搭建了系统仿真模型，模拟锂电池组充放电过程中保护板工作的情况，验证该设计方案的可行性。为简单起见，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。

　　

　　模型中用受控电压源代替单节锂电池，模拟电池充放电的情况。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。所采用的单节锂电池保护芯片S28241封装为一个子系统，使整体模型表达时更为简洁。

　　保护芯片子系统模型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、数学运算模块等模拟了保护动作的时序与逻辑。由于仿真环境与真实电路存在一定的差别，仿真时不需要滤波和强弱电隔离，而且多余的模块容易导致仿真时间的冗长。因此，在实际仿真过程中，去除了滤波、光耦隔离、电平调理等电路，并把为大电流分流设计的电阻网络改为单电阻，降低了仿真系统的复杂程度。建立完整的系统仿真模型时，要注意不同模块的输入输出数据和信号类型可能存在差异，必须正确排列模块的连接顺序，必要时进行数据类型的转换，模型中用电压检测模块实现了强弱信号的转换连接问题。

　　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微小差别，以代表电池个体充放电的差异。图6为电池组中单节电池电压检测仿真结果，可见采用过流放电支路均充的办法，该电路可正常工作。

　　

　　4 系统测试及分析

　　实际应用中，针对某品牌电动自行车生产厂的需求，设计实现了2组并联、10节串联的36V8A·h锰酸锂动力电池组保护板，其中单节锂电池保护芯片采用日本精工公司的S28241，保护板主要由主电路、控制电路、分流放电支路以及滤波、光耦隔离和电平调理电路等部分组成，其基本结构如图7所示。放电支路电流选择在800mA左右，采用510Ω电阻串并联构成电阻网络。

　　

　　调试工作主要分为电压测试和电流测试两部分。电压测试包括充电性能检测过电压、均充以及放电性能检测欠电压两步。可以选择采用电池模拟电源供应器代替实际的电池组进行测试，由于多节电池串联，该方案一次投入的测试成本较高。也可以使用装配好的电池组直接进行测试，对电池组循环充放电，观测过压和欠压时保护装置是否正常动作，记录过充保护时各节电池的实时电压，判断均衡充电的性能。但此方案一次测试耗费时间较长。对电池组作充电性能检测时，采用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工作电压范围内，并且单体之间的差异很小，充电过程中电压偏差小于100mV，满充电压4.2V、电压偏差小于50mV.电流测试部分包括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态。在确定器件完好，电路焊接无误的前提下，也可直接通过保护板上电源指示灯的状态进行电流测试。

　　实际使用中，考虑到外部干扰可能会引起电池电压不稳定的情况，这样会造成电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此在保护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在保护板上添加延时电路，这样将有效降低外部干扰造成保护电路误动作的可能性。由于电池组不工作时，保护板上各开关器件处于断开状态，故静态损耗几乎为0.当系统工作时，主要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗，当充电状态下均衡电路工作时，分流支路中电阻热损耗较大，但时间较短，整体动态损耗在电池组正常工作的周期内处于可以接受的水平。

　　经测试，该保护电路的设计能够满足串联锂电池组保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电、过放电的保护，同时实现均衡充电功能。

　　根据应用的需要，在改变保护芯片型号和串联数，电路中开关器件和能耗元件的功率等级之后，可对任意结构和电压等级的动力锂电池组实现保护和均充。如采用***富晶公司的FS361A单节锂电池保护芯片可实现3组并联、12串磷酸铁锂电池组保护板设计等。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 结论

　　本方案采主要采用单节锂电池保护芯片设计实现了多节锂电池串联的电池组保护板，除可完成必要的过电压、欠电压、过电流和短路保护功能外，还可以实现均衡充电功能。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，市场使用情况检验了该方案的稳定性。