锂电池保护芯片的均衡充电设计

当锂电池组充电时，外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，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　充电过程

系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，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过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端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，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成，进入过电压保护状态，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保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，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，即实现均衡充电，充电过程完成。

图3　分流均衡过程

当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，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。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压;一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节锂电池放电保护控制信号变低，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，即结束放电使用过程。

图4　放电过程

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。

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。

图5　2节锂电池串联均充保护仿真模型

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**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。

图6　锂电池电压检测仿真结果

系统实验

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。

图7　锂电池组保护板基本结构

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。