一種串聯鋰電池均衡充電電池組的保護板方案

圖4　放電過程

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

控制電路的單節鋰電池保護芯片可根據待保護的單節鋰電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。

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

分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網絡實現。這里采用電阻網絡實現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作用。均衡充電保護板電路工作仿真模型

根據上述均衡充電保護板電路工作的基本原理，在Matlab/Simulink環境下搭建了系統仿真模型，模擬鋰電池組充放電過程中保護板工作的情況，驗證該設計方案的可行性。為簡單起見，給出了鋰電池組僅由2節鋰電池串聯的仿真模型，如圖5所示。

圖5　2節鋰電池串聯均充保護仿真模型

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

保護芯片子系統模型主要用邏輯運算模塊、符號函數模塊、一維查表模塊、積分模塊、延時模塊、開關模塊、數學運算模塊等模擬了保護動作的時序與邏輯。由于仿真環境與真實電路存在一定的差別，仿真時不需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、電平調理等電路，并把為大電流分流設計的電阻網絡改為單電阻，降低了仿真系統的復雜程度。建立完整的系統仿真模型時，要注意不同模塊的輸入輸出數據和信號類型可能存在差異，必須正確排列模塊的連接順序，必要時進行數據類型的轉換，模型中用電壓檢測模塊實現了強弱信號的轉換連接問題。

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為電池組中單節電池電壓檢測仿真結果，可見采用過流放電支路均充的辦法，該電路可正常工作。

圖6　鋰電池電壓檢測仿真結果

系統實驗

實際應用中，針對某品牌電動自行車生產廠的需求，設計實現了2組并聯、10節串聯的36V8A·h錳酸鋰動力電池組保護板，其中單節鋰電池保護芯片采用日本精工公司的S28241，保護板主要由主電路、控制電路、分流放電支路以及濾波、光耦隔離和電平調理電路等部分組成，其基本結構如圖7所示。放電支路電流選擇在800mA左右，采用510Ω電阻串并聯構成電阻網絡。

圖7　鋰電池組保護板基本結構

調試工作主要分為電壓測試和電流測試兩部分。電壓測試包括充電性能