串聯(lián)磷酸鐵鋰電池組保護電路設計

孫起山，張存山，王勝博，張淑敏

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255091）

“十二五”專項規(guī)劃提到，2015年中國電動汽車保有量計劃達到100萬輛，動力電池產(chǎn)能約達100億瓦時.研究鋰電池及其管理具有重大意義.

目前世界各國的動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模均未真正形成，產(chǎn)品質(zhì)量特性尚不穩(wěn)定，磷酸鐵鋰電池的發(fā)展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性.制約鋰電池應用的主要因素為鋰電池的循環(huán)性能和安全性能，必須對鋰電池增加保護電路來提高其性能，鋰電池保護均衡電路的研究已經(jīng)成為熱點.

1 磷酸鐵鋰電池組保護電路系統(tǒng)設計

磷酸鐵鋰電池由于具有高比能量、高比功率、高安全性、長壽命、高性價比以及很寬的工作溫度范圍等優(yōu)點［1］，已成為新能源汽車的新型動力電源.筆者研究的動力電池包容量為8A·h，由12個電池單體串聯(lián)組成，本設計研究的磷酸鐵鋰電池保護電路主要功能是:（1）精確地監(jiān)測電池組單體模塊電壓，防止出現(xiàn)過壓過流等現(xiàn)象；（2）通過檢測電池工作狀態(tài)溫度，對電池進行溫度保護；（3）通過檢測電池單體電壓在電池組充電過程中均衡電池組中的各個單體電池，以彌補電池在使用過程中出現(xiàn)的性能不一致性，使各個電池都發(fā)揮出最優(yōu)性能，最大限度延長整個電池組的壽命［2］.

1.1 電路系統(tǒng)的硬件設計

動力性鋰電池組是多節(jié)相同的單體電池并聯(lián)后再串聯(lián)組成大電壓大電流鋰電池組.圖1為本設計采用的12串鋰電池基本保護原理硬件框圖.如圖所示，每一個單體電池的檢測控制電路都是相同的針對串聯(lián)電池組的保護設計和單節(jié)鋰電池保護類似，但是必須要突出可擴展拓撲性，以此來解決各種電動裝置能量的匹配［3］.

圖1 12串鋰電池基本保護原理硬件框圖

1.2 主控磷酸鐵鋰電池保護芯片

HY2112是由臺灣宏康科技公司生產(chǎn)的一款鋰離子電池保護芯片，基于HY2112的單節(jié)鋰電池保護電路如圖2所示.

圖2 基于HY2112鋰電池保護電路原理圖

HY2112的外部封裝管腳說明見表1.通過表1可以看出，此電池保護芯片僅為單電池保護芯片，此芯片集成了電壓檢測電路、電流檢測電路以及測試電路，是一款功能全面的電池保護芯片，可根據(jù)級聯(lián)需要自由選擇芯片的拓撲結(jié)構(gòu).

HY2112持續(xù)偵測連接在VDD和VSS之間的電池電壓，以及CS與VSS之間的電壓差，來控制充電和放電.

表1 HY2112外部封裝、腳位及標記信息功能表

當電池電壓在過放電檢測電壓VDL＝1.95V以上和過充電檢測電壓VCU＝3.75V以下，且CS端子電壓在放電過流檢測電壓VDIP＝200mV以下時，IC的OC和OD端子都輸出高電平，使充電控制用MOSFET和放電控制用MOSFET同時導通，這個狀態(tài)稱為“正常工作狀態(tài)”.此狀態(tài)下，充電和放電都可以自由進行.

一旦電池電壓超出過充電檢測電壓（VCU＝3.75V），并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超過過充電檢測延遲時間100ms以上時，HY2112系列IC會關(guān)閉充電控制用的MOSFET（OC端子），停止充電，這個狀態(tài)稱為“過充電狀態(tài)”.

電池在放電過程中，當電池電壓降低到過放電檢測電壓以下.并且這種狀態(tài)持續(xù)的時間超出過放電檢測延遲時間25ms以上時，HY2112系列IC會關(guān)閉放電控制用的MOSFET（OD端子）.停止放電，這個狀態(tài)稱為“過放電狀態(tài)”.

由于鋰離子電池的化學特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（電池容量／小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題.電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)2個MOSFET時，由于MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓U［4］:

RDS為單個MOSFET導通阻抗.

兩個MOSFET同時導通時導通阻抗RDS不超過15mΩ.由此可以得到過電流時的電壓U，進而可以進行過電流保護.

1.3 均衡充電電路原理與硬件電路設計

如圖3所示，在電池組充電階段，通過開關(guān)將那些己完全充滿的單體電池的旁路電阻接通進行分流.通過計算分流電流的大小來合理的選擇旁路電阻R的大小.旁路電阻R要剛好能把充電電流分流掉.如果充電電流較小，那么旁路電阻會把電池單體的能量泄放一部分.這種均衡電路工作在充電期間，可對電壓偏高者進行分流，最終使所有電池達到滿容量，實現(xiàn)均衡的目的［5］.

由于總電池組放電再對單體電池進行放電并沒有起到延長電池組放電時間和增加對外供電的能力，因此在放電階段均流電阻開關(guān)不閉合，均流電阻不工作，此時沒有均衡策略.這種方法設計的均衡電路是所有均衡方法中最簡單的，成本也最低.

圖3 開關(guān)控制均流電阻均衡充電電路

均流電阻均衡拓撲電路的工作原理如圖4所示，均衡信號由三路2通道模擬多路選擇器74HC4053D傳遞.

圖4 均流電阻均衡充電電路的均衡模塊拓撲電路示意圖

1.4 均流電阻均衡方式MATLAB仿真波形

根據(jù)均流原理在MATLAB建仿真模型，由于此均衡電路為拓撲結(jié)構(gòu)，為了加快仿真的速度，模型僅為4塊單體電池串聯(lián)（電池模型采用的是MATLAB自帶的電池模型），均衡電路模型如圖5所示.

在仿真過程中為了達到均衡的條件，電壓設置為4V（過壓），其他三塊電池電壓為3V（過放），均衡電路開始工作，第一塊電池將會打開均流電阻放電.其他三塊電池將會繼續(xù)充電MATLAB仿，真得到四塊電池電壓如圖6所示，流電阻兩端電壓如圖7所示.

圖5 均衡電路MATLAB仿真模型

圖6 MATLAB仿真四塊電池電壓

從圖6可以看出，第一塊電池電壓從4.0V一直下降，表明是一個充電過程，而其他三塊電池的電壓一直上升，表明是均衡裝置起作用.而圖7中第一塊電池均流電阻電壓有接近于0V的脈沖，因此可以看做均流電阻此時沒有工作，其他三塊單體電池的均流電阻電壓相應增加，而當R1上有電流流過時，R1工作，降低電池B1上的電壓，表明當均流電阻不工作時均衡的電池電壓上升從而達到電壓一致.MATLAB仿真得出當充電將要完成時，四塊電池電壓基本相同，證明均衡電路工作有效.

2 實驗結(jié)果與分析

磷酸鐵鋰電池保護電路與實驗所用的電池組照片如圖8所示.

圖7 MATLAB電路仿真均流電阻電壓波形

圖8 磷酸鐵鋰電池組與實驗電路板

通過實驗驗證該系統(tǒng)保護性能與均衡性能的試驗步驟如下:

（1）將單體電池斷開，升高降低此單體電池兩端處電壓到閥值電壓（3.75V與1.95V）檢測保護電路的過壓欠壓保護性能.如圖9和圖10所示.

圖9 過放保護實驗波形圖

（2）先將單體電池補充電500mA·h使該電池電量大于其他電池、電池組不平衡.

圖10 電池充電保護電壓波形

（3）啟動均衡控制，檢測最終充滿時均衡策略是否打開，打開是否有效.

試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地防止單體電池過充放，保持各個單體電池之間的電壓誤差在20mV之內(nèi)，容量誤差在5%以內(nèi).

3 結(jié)束語

保護均衡電路是磷酸鐵鋰電池的一個重要保護部分，它不僅防止了單體電池過充和過放，而且均衡了電池的充放電電流.均衡充電模塊還有效地使各單體電池的能量趨于一致，從而最大限度地延長電池的使用壽命，保證了動力電池充放電過程的安全高效性.本設計的磷酸鐵鋰電池保護板電路性能可靠，實用性極強，改善了電池組的安全性能，提高了電池組的循環(huán)壽命.

該均衡模塊對單體電池的能量轉(zhuǎn)移屬于耗散型均衡方式，效率還有待提高，均衡的功能還有進一步優(yōu)化的空間.

［1］蔣新華.鋰離子電池組管理系統(tǒng)研究［D］.上海:中國科學院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2007.

［2］比亞迪股份有限公司.用于驅(qū)動電動車的鋰二次電池組的充放電管理裝置:中國，2249592.4［Z］.2004－01－14.

［3］雷娟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電池，2007，37（1）:23－24

［4］劉有兵，齊鉑金，宮學庚.電動汽車動力電池均衡充電的研究［J］.電源技術(shù)，2004，28（10）:649－651.

［5］熊志偉.混合動力城市客車動力系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢理工大學，2004.