一種多電池包并聯(lián)技術(shù)的研究

王賢江，胡振營，石玉

(1.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳518067；2.電子科技大學微電子與固件電子學院，四川成都610054)

一種多電池包并聯(lián)技術(shù)的研究

王賢江1，2，胡振營1，石玉2

(1.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳518067；2.電子科技大學微電子與固件電子學院，四川成都610054)

在電池應(yīng)用系統(tǒng)中為了提高電池的容量以及可靠性采用多個電池包進行并聯(lián)，從理論上來講兩個源是不能并聯(lián)的。實際應(yīng)用中為了實現(xiàn)各個電池包之間的相互獨立采用了二極管與電池包串聯(lián)來實現(xiàn)隔離，但是此隔離二極管會造成一定程度地功率損失。為了降低多電池包并聯(lián)采用二極管隔離所帶來的功率損失，結(jié)合同步整流技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用，并結(jié)合其控制原理采用MOS管來代替二極管并通過相應(yīng)的控制電路來控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達到與二極管隔離同樣的效果。與此同時，由于MOS管具有極低的導(dǎo)通電阻從而降低了隔離這個部分的損耗。仿真與實驗結(jié)果均證明了此設(shè)計方案的正確性與可行性。

二極管隔離；同步整流；電池包并聯(lián)；MOS管

隨著人類對科技的應(yīng)用，特別是對移動電子設(shè)施/設(shè)備性能的大力需求，電動汽車(特斯拉ModelS、BYD E6等)、電動摩托車這些設(shè)備對電池容量的巨大需求是單一的電池包難以處理的，這就不得不進行電池包的并聯(lián)使用。有采用將多個電池包內(nèi)阻配對直接進行并聯(lián)的，隨著使用時間的推移，這樣會出現(xiàn)電池包之間相互充電的情況，而且當一個電池包損壞時將導(dǎo)致整個電池包損壞。另一種更為妥當?shù)姆绞绞遣捎迷诿恳粋€電池包中串聯(lián)一個二極管后，再進行并聯(lián)。這樣可以防止電池包之間相互充電，而且可以實現(xiàn)并聯(lián)電池包之間的有效隔離，如圖1(a)所示。由于二極管在導(dǎo)通過程中存在一定的導(dǎo)通壓降，且其壓降隨著導(dǎo)通電流的上升呈上升趨勢，如圖1(b)所示。

其功率損耗如式(1)所示，其中Pd為二極管所損失功率，Ud為二極管正向?qū)▔航?，Id為二極管流過的正向電流。

這必然導(dǎo)致電池能量的浪費，而且會產(chǎn)生大量的熱量。在大容量應(yīng)用系統(tǒng)中，這部分的能量損失是相當巨大的。

為了降低這個部分的功率損失，即二極管實現(xiàn)電池包隔離所帶來的功率損失問題。本文通過對開關(guān)電源技術(shù)中同步整流的需求及其技術(shù)原理出發(fā)，通過對一些經(jīng)典的同步整流控制芯片(如IR11662)的控制模式進行分析，總結(jié)其控制過程以及算法。并根據(jù)這些理論結(jié)合多電池包并聯(lián)技術(shù)中二極管的應(yīng)用，將開關(guān)電源中同步整流的控制技術(shù)整合到多電池包并聯(lián)電路中。通過使用MOS管以達到更低的導(dǎo)通壓降從而降低傳統(tǒng)二極管隔離所帶來的功率損失，提高了電池的利用率，最后通過仿真與實驗證明本文提出理論的合理性和正確性。

1 多電池包并聯(lián)電路的理論分析與實現(xiàn)方案

1.1 理論分析

在開關(guān)電源中為了降低次級側(cè)整流二極管導(dǎo)通壓降從而提高整個變換器的轉(zhuǎn)換效率[1]，引入了使用MOS管來代替二極管的同步整流思想。同步整流技術(shù)利用MOSFET極低的導(dǎo)通電阻來降低整流部分二極管的導(dǎo)通壓降，從而很大程度上降低了整流部分的損耗。因此提高了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。其功率損失如式(2)所示，其中PQ為MOS管的功率損耗，UQ為MOS管的正向?qū)▔航担琁Q為MOS管的正向電流，RON為MOS管的導(dǎo)通電阻。從式(2)可見，MOS管的導(dǎo)通電阻越小其功率損失越低。

圖1 多電池包并聯(lián)時采用二極管進行隔離

在多電池包并聯(lián)系統(tǒng)中二極管隔離面臨著與開關(guān)電源中同樣的問題，即二極管極高的導(dǎo)通壓降降低了效率。通過對相關(guān)文獻的查閱，幾乎很多的同步整流控制芯片都是使用NMOS來進行同步整流，并將NMOS放于接地端，這樣便于對NMOS管進行驅(qū)動。如IR公司的同步整流芯片IR11662，其具體應(yīng)用電路如圖2(a)所示。工作于反激模式下的高頻變壓器初級開關(guān)管關(guān)閉時，高頻變壓器次級側(cè)將產(chǎn)生正向電壓，此電壓通過負載與Q1形成電流回路，當電流流過Q1的體二極管時必將產(chǎn)生一個電壓。結(jié)合IR11662的工作時序如圖2(b)所示，如果產(chǎn)生的電壓降小于VTH2將開啟NMOS管Q1，為了防止出現(xiàn)誤觸發(fā)加入了一個延時確認時間MOT。如果負載電流較小時，在NMOS管導(dǎo)通電阻上產(chǎn)生的電壓也將降低，如果此電壓值大于VTH1時，NMOS管將關(guān)閉。

當高頻變壓器初級側(cè)開關(guān)打開時，高頻變壓器次級側(cè)將產(chǎn)生反向電壓，如果此反向電壓值大于VTH3將對整個控制進行復(fù)位，以進行下一個周期的判定。

圖2 同步整流控制芯片IR11662

1.2 實現(xiàn)方案

結(jié)合上述同步整流的設(shè)計思想，使用NMOS管來進行控制，由于驅(qū)動方面的原因?qū)MOS管串接在電源的負載與系統(tǒng)的輸出地之間。結(jié)合圖1所示的電池并聯(lián)系統(tǒng)，我們要對電池進行充電，而在開關(guān)電源的同步整流中不需要對變壓器次級進行充電處理。所以從傳統(tǒng)的多電池組并聯(lián)系統(tǒng)來分析[2－3]，我們應(yīng)該把開關(guān)管串接在電源的正極與系統(tǒng)的輸出正之間以代替二極管進行工作，NMOS管會涉及到驅(qū)動部分的問題，為了避免這個問題選用PMOS管來進行處理?？墒鞘忻嫔蠜]有針對PMOS管而專門設(shè)計的同步整流芯片，而且電池并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理與開關(guān)電源中的同步整流還是存在一定的區(qū)別。鑒于此，我們結(jié)合實際情況設(shè)計了一套控制電路，電路框圖如圖3(a)所示。

圖3(a)中電池包BT1通過開關(guān)管與系統(tǒng)總線電源VCCBus相連，系統(tǒng)電源從系統(tǒng)總線電源VCC-Bus獲取電能為驅(qū)動部分及控制系統(tǒng)部分控制所需要的電壓。如果直接對PMOS管的D、S兩端進行采樣，輕載時開關(guān)管關(guān)閉時會采樣到0.7 V左右的電壓值，會打開開關(guān)管，采樣值會降得相當?shù)?，又會關(guān)閉開關(guān)管，反復(fù)循環(huán)從而引發(fā)振蕩。為了保證較好的線性度，使用小阻值功率電阻對輸出電流進行采樣，放大一定的倍數(shù)后送到控制系統(tǒng)進行處理?？刂葡到y(tǒng)通過對采樣得到的電流值進行判定從而決定輸出高、低電平，并通過驅(qū)動來控制開關(guān)管的開啟與關(guān)閉[4]。其控制原理如圖3(b)所示。

圖3 多電池并聯(lián)電路

具體程序控制流程圖如圖4(a)所示，當輸出電流大于Io2時開啟開關(guān)管，當輸出電流小于Io1時關(guān)閉開關(guān)管，通過體二極管向系統(tǒng)總線供電。避免開關(guān)管開啟出現(xiàn)電池之間的相互充電從而浪費電能[5]。為了防止出現(xiàn)開關(guān)信號的跳動從而引入磁滯回控制[6]，具體的磁滯回線如圖4(b)所示。

圖4 并聯(lián)電路控制流程

2 實際應(yīng)用電路參數(shù)設(shè)計

綜上所述對兩個電池包進行并聯(lián)設(shè)計。兩個電池包電壓均為14.8 V，容量均為2 200mA。由于兩個并聯(lián)電路模塊均相同，所以僅畫出其中一個并聯(lián)電路的模塊電路原理圖[6]。電路原理圖如圖5所示，其中圖5(a)為其開關(guān)管、驅(qū)動、電流取樣、控制系統(tǒng)的電路原理圖[7]，圖5(b)為其系統(tǒng)電源部分電路原理圖。

圖5 并聯(lián)電路原理圖

2.1 功率部分參數(shù)設(shè)計

并聯(lián)電路中，功率部分主要由兩個器件構(gòu)成，即P溝道的增強型MOS管Q1及電流測量電阻R1。為了盡可能地降低導(dǎo)通損耗，所以PMOS管的選取除了要考慮其耐壓、正向電流以外，還必須要求具有較低的導(dǎo)通電阻[8－9]。綜上因素，選擇Si7463ADP，其耐壓值為40 V，導(dǎo)通電阻0.01W(VGS=－10 V時)，正向電流46 A。電阻R1的取值為0.005W，功率為2W，精度1%，即總導(dǎo)通電阻為0.015W。

2.2 控制部分電路設(shè)計

根據(jù)上一個部分的描述，如圖5所示，控制部分主要由電流取樣部分、控制部分、驅(qū)動部分及系統(tǒng)電源部分構(gòu)成。

電流取樣部分，選用MAX9938T高精度差分放大器將電流取樣電阻R1兩端的電壓作減法并放大25倍送往控制系統(tǒng)中進行比較。

控制部分由兩個部分構(gòu)成，其中電壓比較部分由LM 393構(gòu)成兩個電壓比較器，這兩個比較器的一個同相輸入與另一個反相輸入信號均來自電流取樣部分的輸出。從而判定輸出電流是大于IO2還是小于IO1。而比較器LM 393輸入的參考基準電壓Vref_1、Vref_2來自系統(tǒng)電源。

控制部分中的RS觸發(fā)器由或非門74LS02構(gòu)成，主要是將電壓比較器輸出的兩個信號R、S用來實現(xiàn)對RS比較器輸出置位與清零。即當輸出電流大于IO2時，RS觸發(fā)器輸出置位1；當輸出電流小于IO1時，RS觸發(fā)器輸出清零。

由于RS觸發(fā)器輸出的信號不足以讓PMOS完全實現(xiàn)關(guān)閉以及導(dǎo)通，所以引入驅(qū)動部分，驅(qū)動部分由Q2的NMOS管2N7002、10k W電阻R4、20k W電阻R2構(gòu)成。當RS觸發(fā)器輸出置1時，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，電阻R2的與開關(guān)管Q1柵極相連的一端被拉到地，VGS呈負壓，且大于其門限電壓，開關(guān)管Q1導(dǎo)通；反之，開關(guān)管Q1截止。

圖5(b)所示的系統(tǒng)電源部分將并聯(lián)總線電壓VCC-BUS通過線性降壓器LP2950-5.0降壓成5.0 V的輸出，以提供給控制部分比較器、觸發(fā)器的電源，同時通過一個TL431再次降壓成2.50 V作為更穩(wěn)定的基準電壓。通過電阻R8與R9對此2.5 V電壓進行分壓得到Vref_1送到比較器中作為清零比較，如式(3)所示。

通過電阻R7與R10對此2.5 V電壓進行分壓得到Vref_2判送到比較器中作為置1比較，如式(4)所示。

3 實驗結(jié)果與分析

為了進一步驗證上述的推論，現(xiàn)將兩個電池包分別采用肖特基極二極管與上述并聯(lián)電路模塊來進行并聯(lián)，測試其導(dǎo)通壓降并計算轉(zhuǎn)換效率。同時測試其在切換瞬間的反向電流大小與沖擊時間。

采用圖6(a)所示的二極管并聯(lián)拓撲，其中D1、D2為SB560肖特基二極管，耐壓42 V，導(dǎo)通電流5.0 A。采用圖6(b)所示的并聯(lián)電路拓撲。其中電池包BT1、BT2的電壓均為14.8 V，以電子負載作為并聯(lián)系統(tǒng)的輸出負載，輸出電流3 A/5 A。其中電流I1、I2、I3分別對應(yīng)電池包BT1、BT2、整個系統(tǒng)的輸出電流。

通過對兩種不同的電池包并聯(lián)方案進行對比，3 A輸出與5A輸出對比分別如表1、表2所示。通過表1、表2的測試數(shù)據(jù)，可比較出使用MOS管并聯(lián)的方案，具有較低的正向壓降，因而具有較少的功率損失。

由于二極管具有反向恢復(fù)時間，同時這個并聯(lián)電路也有一定的反向恢復(fù)時間。為了進一步測試此多電池包并聯(lián)技術(shù)在電池包熱插撥切換時反向沖擊電流大小以及時間，采用電池包瞬間接入與斷開來進行相關(guān)測試，同時也對二極管并聯(lián)電路進行了同樣的實驗，實驗的波形如圖7所示。

圖6 測試方案結(jié)構(gòu)框圖

圖7 并聯(lián)電路熱插撥時電流波形

本文實驗原理樣機主要用于驗證多電池包并聯(lián)系統(tǒng)的基本工作原理，對于不同輸出電流、電壓的電池包并聯(lián)電路，需要對P溝道的功率MOS管Q1、電流采樣電阻R1及系統(tǒng)電源部分進行對應(yīng)的參數(shù)計算與器件選擇，這一點要特別注意。

4 拓撲推廣

在帶有電池供電的電子系統(tǒng)中采用如圖8(a)所示的電路來實現(xiàn)AC/DC變換器的直流輸出與電池并聯(lián)。此處的肖特基二極管D1、D2同樣也是為了在兩個源之間進行相互隔離。

本文所述的多電池包并聯(lián)技術(shù)也可用于上述系統(tǒng)中，應(yīng)用框圖如圖8(b)所示。市電經(jīng)AC/DC變換器后連接至并聯(lián)電路-1，電池BT1的正極連接至并聯(lián)電路-2，并聯(lián)電路-1、并聯(lián)電路-2的輸出端均連接至并聯(lián)總線VCC-Bus。如同在多電池包并聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用一樣，在實現(xiàn)電池包與AC/DC輸出之間相互隔離的同時，同樣可降低傳統(tǒng)并聯(lián)電路中由于二極管的正向?qū)▔航刀斐刹槐匾墓β蕮p耗。

圖8 AC/DC變換器與電池的并聯(lián)系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文從多電池包并聯(lián)系統(tǒng)中采用二極管來進行電池包之間隔離的應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合開關(guān)電源中同步整流技術(shù)對此二極管隔離進行了相關(guān)分析，總結(jié)了在多電池包并聯(lián)系統(tǒng)中采用功率MOS管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，并提出了相應(yīng)的MOS管開啟及關(guān)斷控制的技術(shù)方案。與同步整流技術(shù)一樣，MOS管的引入使得其具有更低的導(dǎo)通壓降及導(dǎo)通損耗，從而提高了電池包電能的利用率。并將此拓撲推廣應(yīng)用到帶有電池供電的電子系統(tǒng)中。

仿真和實驗結(jié)果均證明了所設(shè)計電路的可行性及理論分析的正確性。

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Research on parallel technology ofmultibattery pack

WANG Xian-jiang1，2，HU Zhen-ying1，SHIYu2
(1.EDAN Instruments，INC，Shenzhen Guangdong 518067，China;2.School ofM icroelectronicsand Solid State Electronics，University of Electronic Science and Technology ofChina，Chengdu Sichuan 610054，China)

In order to improve the capacity and reliablity ofbattery system using parallelw ith multiple battery pack，the two sources can notbe parallel in theory.In order to achieve the mutual independence between each battery packs using a diode in series w ith the battery pack to achieve isolation，in order to reduce the power loss by using the isolation diode，the application of synchronous rectification in sw itching power supply was analyzed，and combined w ith its control theory，the MOS was used instead of the isolation diode and a corresponding circuit was built to control the MOS on and off，achieving the same effectw ith the isolation diode.At the same time，because of the low on-resistance of the MOS transistor，the power loss of the originaldiode isolate is reduced in system.The simulation and experimental results prove the correctness and feasibility of this design.

diode isolation;synchronous rectification;battery pack parallel;MOS tub

TM 91

A

1002-087X(2016)07-1393-03

2015-12-05

王賢江(1986—)，男，四川省人，碩士，主要研究方向為電力電子控制技術(shù)。