1 設(shè)計(jì)需求
單個(gè)鋰電池型號(hào)為RFE—N18650,如圖1所示,標(biāo)稱電壓為3.6V。鋰電池組采用4并10串的結(jié)構(gòu),如圖2所示,標(biāo)稱電壓為36V,標(biāo)稱容量為9Ah。該鋰電池組的保護(hù)要求為:充電上限電壓43V,放電截止電壓27V。
圖1 單節(jié)鋰電池
保護(hù)電路要能實(shí)現(xiàn)對(duì)每級(jí)電池的充放電保護(hù),要求如下:
(1)每級(jí)電池充電電壓≤4.3 V;
(2)每級(jí)電池放電電壓≥2.7 V。
鋰電池組工作過(guò)程中,還需實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)負(fù)載短路保護(hù);
(2)躲避電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)啟動(dòng)電流;
(3)鋰電池組各級(jí)電壓在充放電過(guò)程中能保持基本均衡。
2 鋰電池保護(hù)電路總體實(shí)現(xiàn)方案
鋰電池組的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示,由2塊電路板組成。保護(hù)板1用于監(jiān)視各級(jí)鋰電池電壓,通過(guò)保護(hù)IC產(chǎn)生保護(hù)信號(hào),例如禁止充電、禁止放電等;保護(hù)板2接收來(lái)自保護(hù)板1的控制信號(hào),并驅(qū)動(dòng)充、放電回路(深色線指示)的通斷。EB+/EB-可以連接負(fù)載或充電器。
3 各部分電路的研究與設(shè)計(jì)
3.1 充、放電驅(qū)動(dòng)電路
充、放電驅(qū)動(dòng)電路采用兩組MOSFET實(shí)現(xiàn)控制:充電MOSFET(Q1,Q3,Q5)和放電MOSFET(Q2,Q4,Q6)。Q1~Q6均為增強(qiáng)型N溝道MOSFET,Id=60 A,由于此處開斷頻率并不高,直接采用3個(gè)MOSFET并聯(lián)即可,用以增大電流驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)保護(hù)板1檢測(cè)過(guò)充電時(shí),將控制充電MOSFET組關(guān)斷,此時(shí)電流無(wú)法再?gòu)腂at10-流向EB-,將禁止充電。但是,由于MOSFET的DS級(jí)兩端存在寄生二極管,此時(shí)電流還是能從EB-流向Bat10-,實(shí)現(xiàn)帶載放電功能。同理,當(dāng)保護(hù)板1檢測(cè)過(guò)放電時(shí),將控制放電MOSFET組關(guān)斷,此時(shí)電流無(wú)法從EB-流向Bat10-,無(wú)法放電,但仍可正常充電。
3.2 保護(hù)控制電路
此次保護(hù)IC采用了精工公司的S-8209A芯片,內(nèi)置高精度的電壓檢測(cè)和延時(shí)電路,同時(shí)具有通信(級(jí)聯(lián))和電量平衡功能。
圖5摘取了保護(hù)板1中前三級(jí)(1~3級(jí))保護(hù)電路,6~10級(jí)保護(hù)電路與此相似。所選取的芯片技術(shù)指標(biāo)如表1所示,對(duì)于過(guò)充電、電平衡和過(guò)放電功能都有其檢測(cè)和解除電壓,以確保各狀態(tài)的可靠進(jìn)入和退出。
(1)過(guò)充電保護(hù)
S-8209A在檢測(cè)電池兩端電壓高于VCU或充電控制引腳CTLC為高電平時(shí),都將進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài),且CO輸出高阻,直至電壓低于VCL退出。以第2級(jí)為例,當(dāng)S2檢測(cè)到第2級(jí)鋰電池電壓高于4.25 V時(shí),CO引腳將變?yōu)楦咦瑁珻TLC將被內(nèi)部上拉電阻上拉,導(dǎo)致S1的CO引腳變?yōu)楦咦?,進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電路將充電MOSFET組關(guān)斷。
通過(guò)級(jí)聯(lián)控制方式可以實(shí)現(xiàn)任何一級(jí)鋰電池過(guò)充時(shí)都將充電回路關(guān)斷的效果。
表1
(2)過(guò)放電保護(hù)
與過(guò)充電相似,S-8209A在檢測(cè)電池兩端電壓低于VDL或放電控制引腳CTLD為高電平時(shí),將進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),且DO輸出高阻,直至電壓高于VDU退出。級(jí)聯(lián)控制方式下任一級(jí)鋰電池過(guò)放時(shí)都將使放電MOSFET組關(guān)斷。
(3)充、放電電量平衡
由于鋰電池在生產(chǎn)過(guò)程存在著個(gè)體差異,無(wú)法確保其內(nèi)阻、容量等參數(shù)的一致,因此在充放電過(guò)程中各鋰電池的充放電速率、電壓也就無(wú)法保證完全相同。電壓的不平衡常導(dǎo)致部分電池充電無(wú)法充滿,放電無(wú)法放盡,嚴(yán)重影響鋰電池的使用壽命。
S-8209A具有充電、放電電量均衡功能。如圖5所示,以第3級(jí)電池為例,當(dāng)該級(jí)電壓優(yōu)先高于VBU時(shí),S3的CB引腳將驅(qū)動(dòng)外部MOSFET(Q3)接通一個(gè)100 Ω電阻,該電阻對(duì)流入第3級(jí)電池的充電電流進(jìn)行旁路,以降低其充電速率,從而保證各級(jí)電池電壓處于較精準(zhǔn)的均衡狀態(tài)。當(dāng)任何一級(jí)電壓高于VBU時(shí),該級(jí)保護(hù)IC都將進(jìn)入充電電量均衡狀態(tài),直至電壓低于VBL才退出。
在級(jí)聯(lián)控制方式下,后級(jí)電池的過(guò)放電狀態(tài)將通過(guò)DO引腳反映至前級(jí),當(dāng)?shù)?級(jí)電池電壓低于VDL時(shí),S3將進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),S2,S1在CTLD引腳的控制下也將進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)。如果此時(shí)1,2級(jí)電池的電壓都高于VDL,則S2,S1將分別驅(qū)動(dòng)Q1,Q2導(dǎo)通,兩級(jí)電池各通過(guò)100 Ω電阻放電,實(shí)現(xiàn)放電電量平衡功能,直至電壓低于VDL為止。
保護(hù)IC級(jí)聯(lián)控制方式可以使后級(jí)的過(guò)放電狀態(tài)反映至前級(jí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前級(jí)的放電電量平衡功能,然而前級(jí)的過(guò)放電狀態(tài)卻無(wú)法反映至后級(jí)。為使前級(jí)過(guò)放電狀態(tài)能反映至后級(jí),設(shè)計(jì)了過(guò)放電狀態(tài)通信電路,如圖6所示。
正常狀態(tài)下Q11,Q12導(dǎo)通,S10的CTLD引腳被拉低,S10不受級(jí)聯(lián)控制影響,當(dāng)任何一級(jí)電池過(guò)充電時(shí),圖4中的放電MOSFET組將被關(guān)斷,此時(shí)如果電池組仍接負(fù)載,EB-電位與Batl+相同,Q11,Q12關(guān)斷,CTLD被內(nèi)部電阻上拉,S10也進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),級(jí)聯(lián)控制方式將使所有保護(hù)IC均進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),因此電壓高于于VDL的電池組都將實(shí)現(xiàn)放電電量平衡,直至接入充電器或電壓低于VDL。
(6)短路保護(hù)
負(fù)載短路保護(hù)采用了15 A規(guī)格的鉛類保險(xiǎn)絲FUSE,位置如圖4所示,斷開時(shí)將切斷放電回路。采用鉛類保險(xiǎn)絲一方面是由于負(fù)載工作電流較大,電路板要求尺寸較小,無(wú)法采用專用熔斷器;另一方面是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)在啟動(dòng)瞬間瞬時(shí)電流可達(dá)額定電流的10~20倍,鉛類保險(xiǎn)絲可以躲過(guò)瞬時(shí)的大電流。
(7)延時(shí)保護(hù)
為使電壓的檢測(cè)、解除更為可靠、穩(wěn)定,保護(hù)IC提供了延時(shí)保護(hù)功能。在最前級(jí)芯片S10的CDT引腳處接入電容C11(0.01μF),可產(chǎn)生tDET=10.0×0.01=0.1 s的檢測(cè)延時(shí),當(dāng)任何保護(hù)達(dá)到檢測(cè)電壓時(shí),均需延遲tDET后方可動(dòng)作;此外,還有解除延時(shí)時(shí)間tREL,tREL=tDET /10=0.01 s,當(dāng)任何保護(hù)達(dá)到解除電壓時(shí),也需延遲tREL才能動(dòng)作。
4 PCB設(shè)計(jì)
電路板被劃分成兩塊:控制電路板(保護(hù)板1)和驅(qū)動(dòng)電路板(保護(hù)板2)。檢測(cè)電路被布置于保護(hù)板1中,由10片S-8209A及其外圍電路組成,電流小,功耗低,抗干擾能力要求較高;電流回路驅(qū)動(dòng)被布置于保護(hù)板2中,由充、放電MOSFET組及保險(xiǎn)絲組成,要求能夠通斷大電流,功耗大,開關(guān)器件產(chǎn)生的干擾也較大。通過(guò)對(duì)兩大功能進(jìn)行分離、合理布線、覆銅,最終成品如圖7和圖8所示。
完整有效的保護(hù)電路保障鋰電池組的使用壽命更長(zhǎng)、更安全、更可靠。
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