本文针对动力锂电池成组使用，各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，介绍了一种采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板的设计方案。仿真结果和工业生产应用证明，该保护板保护功能完善，工作稳定，性价比高，均衡充电误差小于50mV.

采用单节锂电池保护芯片设计电池保护板,对任意串联数的成组锂电池进行过充、过放、过流、短路保护,充电过程中实现整组电池均衡充电。在Simulink环境下,用逻辑模块和延时模块等模拟了保护芯片工作的逻辑,实现了整个保护电路工作情况的仿真。实验和工业应用结果表明,该均充保护系统具有应用灵活、稳定可靠等优点,均衡充电误差小于50mV。


常用的均衡充电技术包括恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。成组的锂电池串联充电时，应保证每节电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能，多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU;通过和保护芯片的串行通讯(如I2C总线)来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。




系统实验

实际应用中，针对某品牌电动自行车生产厂的需求，设计实现了2组并联、10节串联的36V8A·h锰酸锂动力电池组保护板，其中单节锂电池保护芯片采用日本精工公司的S28241,保护板主要由主电路、控制电路、分流放电支路以及滤波、光耦隔离和电平调理电路等部分组成。放电支路电流选择在800mA左右，采用510Ω电阻串并联构成电阻网络。

调试工作主要分为电压测试和电流测试两部分。电压测试包括充电性能检测过电压、均充以及放电性能检测欠电压两步。可以选择采用电池模拟电源供应器代替实际的电池组进行测试，由于多节电池串联，该方案一次投入的测试成本较高。也可以使用装配好的电池组直接进行测试，对电池组循环充放电，观测过压和欠压时保护装置是否正常动作，记录过充保护时各节电池的实时电压，判断均衡充电的性能。但此方案一次测试耗费时间较长。对电池组作充电性能检测时，采用3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测，可见各节电池都在正常工作电压范围内，并且单体之间的差异很小，充电过程中电压偏差小于100mV,满充电压4.2V、电压偏差小于50mV.电流测试部分包括过流检测和短路检测两步。过流检测可在电阻负载与电源回路间串接一电流表，缓慢减小负载，当电流增大到过流值时，看电流表是否指示断流。短路检测可直接短接电池组正负极来观测电流表状态。在确定器件完好，电路焊接无误的前提下，也可直接通过保护板上电源指示灯的状态进行电流测试。

实际使用中，考虑到外部干扰可能会引起电池电压不稳定的情况，这样会造成电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此在保护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在保护板上添加延时电路，这样将有效降低外部干扰造成保护电路误动作的可能性。由于电池组不工作时，保护板上各开关器件处于断开状态，故静态损耗几乎为0.当系统工作时，主要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗，当充电状态下均衡电路工作时，分流支路中电阻热损耗较大，但时间较短，整体动态损耗在电池组正常工作的周期内处于可以接受的水平。

经测试，该保护电路的设计能够满足串联锂电池组保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电、过放电的保护，同时实现均衡充电功能。

根据应用的需要，在改变保护芯片型号和串联数，电路中开关器件和能耗元件的功率等级之后，可对任意结构和电压等级的动力锂电池组实现保护和均充。如采用台湾富晶公司的FS361A单节锂电池保护芯片可实现3组并联、12串磷酸铁锂电池组保护板设计等。最终的多款工业产品价格合理，经3年市场检验无返修产品。

结论

本文采用单节锂电池保护芯片设计实现了多节锂电池串联的电池组保护板，除可完成必要的过电压、欠电压、过电流和短路保护功能外，还可以实现均衡充电功能。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，市场使用情况检验了该设计的稳定性。

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