一種鋰電池組充放電保護(hù)系統(tǒng)

摘要：鋰電池能量密度高，難以確保電池的安全性，在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn)[3]；因此鋰電池的過度充電及過電流保護(hù)很重要，所以通常都會(huì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，用以保護(hù)鋰電池。

關(guān)鍵詞：鋰電池組；充放電；保護(hù)系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用松下公司的18650鋰電池構(gòu)成鋰電池組，由5路電池并聯(lián)構(gòu)成，每一路電池由10節(jié)鋰電池串聯(lián)形成。單節(jié)鋰電池的額定電壓為3.6v，電池組總?cè)萘繛?6A·h，最高總電壓為42v，可持續(xù)放電電流可達(dá)8A。

采集模塊用來采集鋰電池的電壓和電流，并將這些數(shù)據(jù)送至單片機(jī)；

控制模塊以MSP430為核心控制芯片，根據(jù)鋰電池的實(shí)際電壓和電流控制鋰電池的停充與停放；均衡模塊對(duì)狀態(tài)不正常的鋰電池進(jìn)行調(diào)整，使其恢復(fù)到正常的狀態(tài)，減少鋰電池的損壞鋰電池組充放電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方式分為2個(gè)層級(jí)。

1.1 預(yù)設(shè)每一路鋰電池過充、過放以及過流的閥值電壓和電流，當(dāng)任何一路鋰電池的電壓或者電流在充放電過程中超過了預(yù)設(shè)閥值，停止充放電，并對(duì)每一路鋰電池進(jìn)行均衡控制，使其電池狀態(tài)回到安全范圍之內(nèi)。

1.2 預(yù)設(shè)每一路電池組中單節(jié)電池的過充、過放電壓，當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓超過預(yù)設(shè)閥值后，停止充放電，并對(duì)每一路電池組中的單節(jié)電池進(jìn)行均衡控制，使每節(jié)單體電池的電池狀態(tài)趨于一致并處于安全范圍之內(nèi)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本鋰電池組充放電保護(hù)系統(tǒng)采用MSP430fr5947作為控制芯片，MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的處理器。

MSP430單片機(jī)的ADC通道外接數(shù)據(jù)采集電路，采集鋰電池組的電壓和電流，LFXIN和LFXOUT為晶振的輸入輸出，IO1—IO5為5路電池的輸出使能端，同時(shí)還外接自檢電路和均衡電路。按下按鍵S1，鋰電池組電壓自檢，安全狀態(tài)下同時(shí)拉高IO1—IO5，鋰電池組環(huán)路激活，開始放電，再次按下，斷開電路；按下按鍵S2，檢測(cè)一路鋰電池單節(jié)電池電壓，再次按下，切換檢測(cè)下一路；按下按鍵S3，檢測(cè)單路鋰電池充電電流。

2.2 采集模塊

2.2.1 電壓信號(hào)采集

在電壓檢測(cè)中，采集每一路電池的單節(jié)單體電池電壓以及每一路電池總電壓，然后切換至下一路電池，直至5路電池采集完畢。本文采用一種簡(jiǎn)單有效的電壓采集電路。

2.2.2 電流信號(hào)采集

以采樣電阻作為電流傳感器，通過采集采樣電阻的端電壓來獲取每一路電池組的充電電流，在鋰電池組充電過程中，采用切換充電方式，分別對(duì)每一路電池組進(jìn)行單獨(dú)充電。在鋰電池組的負(fù)極串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，INGND為MSP430單片機(jī)的地，在充電過程中，充電電流從電池組負(fù)極流入，經(jīng)過采樣電阻流向INGND，IN/ADC連接MSP430的 ADC通道，經(jīng)過降噪電路，檢測(cè)Ur節(jié)點(diǎn)的電壓，獲取采樣電阻的端電壓，由單片機(jī)對(duì)它進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣，采樣電阻r為0.15Ω。

2.3 均衡模塊

本文采用穩(wěn)定性更高的儲(chǔ)能型均衡電路來作為鋰電池組充放電管理系統(tǒng)的均衡模塊。采用IR公司的IRFP3710 型號(hào)的MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管作為均衡模塊中的開關(guān)元器件，驅(qū)動(dòng)電路要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低且能在MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管柵極和源極之間提供足夠的電壓來控制開關(guān)的導(dǎo)通和斷開。

在均衡電路中，通過微處理器運(yùn)算處理，得出單節(jié)鋰電池電壓與鋰電池組平均電壓的差值，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)差值比較，導(dǎo)通相應(yīng)鋰電池對(duì)應(yīng)的開關(guān)，將電池多余的能量存儲(chǔ)至電容C，或者將電容中的能量轉(zhuǎn)移至能量較低的電池，使每一路電池組以及每節(jié)單體電池能量盡量趨于一致并處于安全范圍之內(nèi)，形成對(duì)鋰電池組的兩級(jí)充放電保護(hù)。在驅(qū)動(dòng)電路中，由于IRFP3710型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電壓較高，為了使驅(qū)動(dòng)電壓高于MOSFET的開啟閥值并提供足夠的瞬時(shí)電流，保證 MOSFET開關(guān)的響應(yīng)速度，選擇PC923作為驅(qū)動(dòng)器件，這種含有光電耦合的隔離放大IC是專為MOSFET設(shè)計(jì)的，供電電壓范圍為15～30V，輸出驅(qū)動(dòng)電流為0.4A，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。驅(qū)動(dòng)器件PC923連接MSP430的正極與地，并給它提供15V的供電電壓，驅(qū)動(dòng)Qc來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉。

3 軟件設(shè)計(jì)

在鋰電池組充放電保護(hù)過程中，有以下幾種保護(hù)方式。

3.1 鋰電池組過流保護(hù)。啟動(dòng)鋰電池組充放電保護(hù)系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行電池組狀態(tài)自檢，系統(tǒng)預(yù)設(shè)每路電池組之間單體電池最高電壓差為3V，當(dāng)檢測(cè)其值超過 3V 時(shí)，判定回路電流過大，直接進(jìn)入掉電模式，防止過流，保護(hù)鋰電池組。

3.2 鋰電池組過放保護(hù)。在放電過程中，鋰電池的放電倍率不能過大，否則會(huì)引起電池內(nèi)部溫度快速升高導(dǎo)致鋰電池使用壽命縮短。系統(tǒng)預(yù)設(shè)放電閥值電壓為2.5V，當(dāng)鋰電池在放電過程中，單節(jié)電池電壓低于2.5V或者每一路電池總電壓低于25V時(shí)，停止放電，防止過放。

3.3 鋰電池組過充保護(hù)。在充電過程中，對(duì)鋰電池組進(jìn)行三階段充電。涓流充電階段使用小電流充電將鋰電池組的電壓充至下限門閥電壓之上。變電流間歇充電階段分為充電期和間歇期，在充電期對(duì)鋰電池采取階梯遞減的輸入電流進(jìn)行充電，然后進(jìn)入短暫的停充期，變電流間歇充電法提升了充電速度，在間歇期減小了電池的極化現(xiàn)象。恒壓充電階段采用恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)預(yù)設(shè)充電閥值電流為0.32A，每一路鋰電池充電電流降至0.32A時(shí)，停止充電，防止過充。在均衡管理中，系統(tǒng)設(shè)定單節(jié)鋰電池電壓Ui與鋰電池的平均電壓Uave之間的最大壓差ΔUmax為200mV，在ΔU超過200mV時(shí)，啟動(dòng)均衡管理對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行控制。同時(shí)設(shè)定單節(jié)鋰電池電壓Ui與鋰電池的平均電壓Uave的安全閥值壓差ΔUmin為50mV，經(jīng)過均衡管理，在ΔU低于50mV時(shí)，結(jié)束均衡管理。

4 結(jié)語(yǔ)

鋰電池組有區(qū)別于單體電池的額外特性，基于目前電池設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平，單體之間的性能差異在其整個(gè)生命周期里客觀存在，要想避免單體由于過充、過放導(dǎo)致提前失效，使電池組的功能和性能指標(biāo)達(dá)到或者接近單體的平均水平，對(duì)蓄電池組充放電實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理是必由之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭軍 純電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池均衡充電的研究[J].電源技術(shù)，2012年4期.

[2]集成信號(hào)和電源隔離的鋰離子電池組監(jiān)控器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011年9期.

[3]肖峰.電動(dòng)汽車鋰離子電池組均衡充電技術(shù)研究[D].天津理工大學(xué)研究生學(xué)位論文，2010年.

作者簡(jiǎn)介：高臣助，1987年9月12日，男，漢族，河南省南陽(yáng)市新野縣，本科，助理工程師，與電池相關(guān)的電氣電子。