均衡充電保護(hù)板電路工作仿真模型
根據(jù)上述均衡充電保護(hù)板電路工作的基本原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，模擬鋰電池組充放電過(guò)程中保護(hù)板工作的情況，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，給出了鋰電池組僅由2節(jié)鋰電池串聯(lián)的仿真模型，如圖5所示。
圖5 2節(jié)鋰電池串聯(lián)均充保護(hù)仿真模型
模型中用受控電壓源代替單節(jié)鋰電池，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(fù)載電阻，Rd為分流放電支路電阻。所采用的單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片S28241封裝為一個(gè)子系統(tǒng)，使整體模型表達(dá)時(shí)更為簡(jiǎn)潔。
保護(hù)芯片子系統(tǒng)模型主要用邏輯運(yùn)算模塊、符號(hào)函數(shù)模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時(shí)模塊、開(kāi)關(guān)模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊等模擬了保護(hù)動(dòng)作的時(shí)序與邏輯。由于仿真環(huán)境與真實(shí)電路存在一定的差別，仿真時(shí)不需要濾波和強(qiáng)弱電隔離，而且多余的模塊容易導(dǎo)致仿真時(shí)間的冗長(zhǎng)。因此，在實(shí)際仿真過(guò)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(jì)的電阻網(wǎng)絡(luò)改為單電阻，降低了仿真系統(tǒng)的復(fù)雜程度。建立完整的系統(tǒng)仿真模型時(shí)，要注意不同模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)和信號(hào)類型可能存在差異，必須正確排列模塊的連接順序，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，模型中用電壓檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換連接問(wèn)題。
仿真模型中受控電壓源的給定信號(hào)在波形大體一致的前提下可有微小差別，以代表電池個(gè)體充放電的差異。圖6為電池組中單節(jié)電池電壓檢測(cè)仿真結(jié)果，可見(jiàn)采用過(guò)流放電支路均充的辦法，該電路可正常工作。
圖6 鋰電池電壓檢測(cè)仿真結(jié)果
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)某品牌電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2組并聯(lián)、10節(jié)串聯(lián)的36V8A·h錳酸鋰動(dòng)力電池組保護(hù)板，其中單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片采用日本精工公司的S28241，保護(hù)板主要由主電路、控制電路、分流放電支路以及濾波、光耦隔離和電平調(diào)理電路等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。放電支路電流選擇在800mA左右，采用510Ω電阻串并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。
圖7 鋰電池組保護(hù)板基本結(jié)構(gòu)
調(diào)試工作主要分為電壓測(cè)試和電流測(cè)試兩部分。電壓測(cè)試包括充電性能檢測(cè)過(guò)電壓、均充以及放電性能檢測(cè)欠電壓兩步。可以選擇采用電池模擬電源供應(yīng)器代替實(shí)際的電池組進(jìn)行測(cè)試，由于多節(jié)電池串聯(lián)，該方案一次投入的測(cè)試成本較高。也可以使用裝配好的電池組直接進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電池組循環(huán)充放電，觀測(cè)過(guò)壓和欠壓時(shí)保護(hù)裝置是否正常動(dòng)作，記錄過(guò)充保護(hù)時(shí)各節(jié)電池的實(shí)時(shí)電壓，判斷均衡充電的性能。但此方案一次測(cè)試耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)電池組作充電性能檢測(cè)時(shí)，采用3位半精度電壓表對(duì)10節(jié)電池的充電電壓監(jiān)測(cè)，可見(jiàn)各節(jié)電池都在正常工作電壓范圍內(nèi)，并且單體之間的差異很小，充電過(guò)程中電壓偏差小于100mV，滿充電壓4.2V、電壓偏差小于50mV。電流測(cè)試部分包括過(guò)流檢測(cè)和短路檢測(cè)兩步。過(guò)流檢測(cè)可在電阻負(fù)載與電源回路間串接一電流表，緩慢減小負(fù)載，當(dāng)電流增大到過(guò)流值時(shí)，看電流表是否指示斷流。短路檢測(cè)可直接短接電池組正負(fù)極來(lái)觀測(cè)電流表狀態(tài)。在確定器件完好，電路焊接無(wú)誤的前提下，也可直接通過(guò)保護(hù)板上電源指示燈的狀態(tài)進(jìn)行電流測(cè)試。
實(shí)際使用中，考慮到外部干擾可能會(huì)引起電池電壓不穩(wěn)定的情況，這樣會(huì)造成電壓極短時(shí)間的過(guò)壓或欠壓，從而導(dǎo)致電池保護(hù)電路錯(cuò)誤判斷，因此在保護(hù)芯片配有相應(yīng)的延時(shí)邏輯，必要時(shí)可在保護(hù)板上添加延時(shí)電路，這樣將有效降低外部干擾造成保護(hù)電路誤動(dòng)作的可能性。由于電池組不工作時(shí)，保護(hù)板上各開(kāi)關(guān)器件處于斷開(kāi)狀態(tài)，故靜態(tài)損耗幾乎為0。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，主要損耗為主電路中2個(gè)MOS管上的通態(tài)損耗，當(dāng)充電狀態(tài)下均衡電路工作時(shí)，分流支路中電阻熱損耗較大，但時(shí)間較短，整體動(dòng)態(tài)損耗在電池組正常工作的周期內(nèi)處于可以接受的水平。
經(jīng)測(cè)試，該保護(hù)電路的設(shè)計(jì)能夠滿足串聯(lián)鋰電池組保護(hù)的需要，保護(hù)功能齊全，能可靠地進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電的保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)均衡充電功能。
根據(jù)應(yīng)用的需要，在改變保護(hù)芯片型號(hào)和串聯(lián)數(shù)，電路中開(kāi)關(guān)器件和能耗元件的功率等級(jí)之后，可對(duì)任意結(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)的動(dòng)力鋰電池組實(shí)現(xiàn)保護(hù)和均充。如采用***富晶公司的FS361A單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片可實(shí)現(xiàn)3組并聯(lián)、12串磷酸鐵鋰電池組保護(hù)板設(shè)計(jì)等。最終的多款工業(yè)產(chǎn)品價(jià)格合理，經(jīng)3年市場(chǎng)檢驗(yàn)無(wú)返修產(chǎn)品。
結(jié)論
本文采用單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池組保護(hù)板，除可完成必要的過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流和短路保護(hù)功能外，還可以實(shí)現(xiàn)均衡充電功能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性，市場(chǎng)使用情況檢驗(yàn)了該設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。