發布時間：2021-11-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：為解決電池單體之間不一致性導致的電池組可用容量下降問題，文章設計了一種模組對單體單向均衡電路。該電路由開關陣列、隔離 DC/DC 變壓器和電池充電管理芯片 TP5100 組成。該開關陣列采用自適應電壓懸浮控制，與傳統的基于電磁繼電器和光耦固態繼電器的電路相
摘 要：為解決電池單體之間不一致性導致的電池組可用容量下降問題，文章設計了一種模組對單體單向均衡電路。該電路由開關陣列、隔離 DC/DC 變壓器和電池充電管理芯片 TP5100 組成。該開關陣列采用自適應電壓懸浮控制，與傳統的基于電磁繼電器和光耦固態繼電器的電路相比具有成本低，導通電阻小等特點。
關鍵詞：開關陣列;自適應電壓懸浮控制;主動均衡
引言
對于串聯成組的電池來說，由于單體電池自身特性(如內阻、容量等)的差異，會造成電池組進行充放電時，內部串聯單體電壓各不相同，而為了兼顧電壓最高和最低電池單體的安全性，防止過充過放，就會導致整組電池的容量得不到充分利用，而且還會影響電池組的 SOC 估算精度[1]。因此國內外學者[2]及企業采用均衡技術來減少電池單體之間的不一致性對電池組的影響，目前電池均衡已成為電池管理系統不可或缺的功能。當前市場上的 BMS 大多采用的耗散均衡技術，耗散均衡不能充分利用電池組的可用容量，在均衡過程中耗散的能量無法被利用，而且一般只能通過與均衡電阻相連電路板進行散熱，散熱面積小，會限制均衡功率，而且也會導致電路板局部溫度過高，影響系統安全。目前主流的具有被動均衡功能芯片實現的最大均衡電流一般在 100 mA 左右。被動均衡的均衡電流受硬件散熱條件限制而導致均衡效率低、均衡時間長等缺點，在使用過程中把電池能量都耗散了，降低了電池的能量使用效率。在放電的過程也未能將電池組中的單體能量使用完畢，導致電池組的能量利用率較低。
而采用主動均衡具有效率高、速度快、不浪費能量，能充分利用電池組的可用容量[3]。常用的主動均衡電路有基于電容[4]、電感[5]和隔離變壓器[6]的均衡電路，而本文設計了基 于自適應電壓懸浮控制開關陣列的主動均衡電路，具有控制簡單、均衡能力強，而且不會因為控制不當導致均衡過程中出現單體電池過充現象發生。
1 均衡電路結構
本文采用主動均衡電路拓撲圖如圖 1(a)所示，用串聯的 12 節 18650 電池給最小電壓的單體提供能量，進行均衡。其均衡電路的控制電路結構圖如圖 1(b)所示，控制單元分析電壓采集單元 LTC6804 采集的數據，若單體電壓差的最大值大于設定的閾值或者接受到上位機發送的均衡命令時，打開對應開關陣列，接通最小電壓的電池單元，進行充電均衡。
1.1 開關陣列
常用的開關陣列有基于電磁繼電器式、光耦固態繼電器式和 MOS 管式，下表 1 是三種常用開關陣列的對比。
目前針對 MOS 管開關陣列驅動電路，德州儀器推出的 EMB1499 和 EMB1428 芯片用于主動均衡的開關陣列驅動，但是該方案復雜，客戶使用成本較高，并且一組芯片只能均衡 7 個電池單體。而另外有的方案采用高低壓隔離變換器來實現低電壓到高電壓的懸浮電位控制，結構更為復雜，占用空間大而且成本較高。而本文采用的自適應電壓懸浮控制 MOS 管開關陣列的驅動方案具有較低的成本和簡單結構，并且還能拓展更多節電池進行均衡控制。
本文采用的開關陣列的拓撲結構圖如圖 2 所示。B1 到B12 為 12 節串聯的電池單體，每個與電池單體一極相連的開關電路中包括兩個 NMOS 管 Q、一個穩壓二極管 D、一個 NPN 三極管 TD 和兩個電阻 R。VH+是 MOS 管的柵極導通電壓，應該大于電池組的最大工作電壓和 MOS 管的柵源極導通電壓之和。NMOS 管 Q 的漏極和源極之間的耐壓范圍應該大于電池組的最大工作電壓，三極管 TD 的集電極與發射極之間的耐壓值應該大于 VH+與電池組負極的電壓，與三極管基極相連的限流電阻應使三極管工作在飽和態，與 MOS 管柵極相連的充電電阻大約為 0.1 MΩ～5 MΩ，該電阻過大會使開關管導通時間變長，過小會增加功耗，甚至超過穩壓二極管的功率，損壞穩壓二極管和 MOS 管，應根據 MOS 的柵源極之間的寄生電容合適選取。
本文采用的開關陣列的 MOS 管柵極電壓采用自適應電壓懸浮控制，能夠通過 SW 控制不同電池單體相連的 MOS 管柵極電壓。當控制信號 SW 為高電平時，三極管導通，MOS 管柵極的電壓被拉低，MOS 管關斷。當控制信號 SW 為低電平時，三極管關斷，VH+通過充電電阻給 MOS 管的柵極充電，MOS 管導通，此時 MOS 管漏極和源極電壓相同，而穩壓二極管將 MOS 管柵極的電壓鉗位到源極加上穩壓二極管的導通電壓，MOS 管繼續導通，而 MOS 管的柵極和源極的電壓差又不至于大于柵源極的耐受電壓，保護 MOS 管。
本文電池組 12 節電池有 13 個電壓節點與之對應，例如電池 B1 的負極節點為 0，正極節點為 1，電池 B2 的正極節點為 2。將對應節點的排列順序按奇偶連接在一起，然后通過圖 2 右邊的電壓極性選通電路就可以將每個單體的正負極引出去。
該開關陣列中柵極電壓 VH+的電壓應大于最高電池電壓和 MOS 管的導通電壓，采用 NE555 生成 PWM 給電容充放電來組成一個電荷泵產生 VH+，電路圖如 3 所示。
利用電容不能瞬間改變兩端電壓的特性，將該芯片的輸出腳連接到電容的一端，另外一端接上電池組的正極電源，就組成了電荷泵，將輸出端 VH+電壓增加給開關陣列中 MOS 源極使用，理想情況下 VH+的電壓等于 C12 加上 NE555 的工作電壓。
第一節電池負極端所連接的開關陣列的電路原理圖如圖 4 所示，其中 MOS 管選用的是 SOT-23 封裝的 NMOS 管 2N7002，其 VDS 漏極到源極最大耐壓值為 60 V，大于 12 節鋰電池串聯的最大工作電壓，VGS 柵極到漏極最大耐壓值為±20 V，導通電流 ID 在 VGS 為 5 V 時能夠到 1.2 A，同時具有較低的導通阻抗 RDS。穩壓二極管 D 選用的是 1206 封裝的 LL34，穩壓值為 4.7 V。三極管選用的是 TO-92 封裝的 2N5551，該三極管的耐壓值 VCE 達到 160 V，遠遠大于 VH+ 與地之間的電壓，滿足要求。VH+與柵極相連的充電電阻選擇和與三極管相連的限流電阻選擇 1206 封裝的 1 MΩ 和 10 kΩ，充電電阻選擇應大一點，減少電荷泵和穩壓二極管的負載功率。光耦采用的是億光公司生產的 EL817 貼片光耦，其導通電流大約為 20 mA，導通壓降為 1.2 V，所以選擇的限流電阻為 100 Ω。
1.2 隔離 DC/DC 均衡電路
本文隔離 DC/DC 是采用的廣州能達電源生產的 18 V～ 72 V 轉 12 V 的隔離 DC/DC，將電池組的正負極經過隔離 DC/DC 轉換后送給 TP5100 開關降壓芯片，降壓后經選通的開關陣列給某一電池單體充電。
TP5100 是一款專用的 4.2 V 鋰電池充電管理芯片，采用 QFN-16 封裝，該降壓充電芯片對電池的充電控制分成三個階段：涓流預充、恒流充電和恒壓充電，這種充電模式能夠有效延長電池的使用壽命，涓流預充和恒流充電的電流可以通過芯片的外圍電路進行設置。外圍電路如圖 5 所示，V+為 TP5100 輸入電壓，也是隔離 DC/DC 的輸出電壓。+4.2 為給開關陣列的輸入電壓，LED1 和 LED2 為充電狀態指示燈。該芯片的恒流充電電流設置是通過設置引腳 VS 和 VBT 之間的電流檢測電阻 RS 來恒流充電狀態下的充電電流，正常情況下，引腳 VS 與 VBAT 之間的電壓為 100 mV，所以該電阻 RS 應該取為：
控制涓流充電電流大小的為引腳 RTRICK，由于本文是用作均衡控制的，所以將該引腳懸空，使預充電流等于恒流充電的電流，使單體電池處于低電壓狀態時具有較好的均衡能力。
2 PCB 設計
通過加入電壓采集模塊 LTC6804 和主控芯片 STM32 XET6，在 Altium Designer 18 中繪制出的電路原理圖，將電路原件導入對應封裝。根據導通電流大小選擇合適線寬，在嘉立創打好板子后回來焊接。焊接好，寫入程序后的實物圖如圖 6 所示。
3 實驗驗證
實驗中采用的 12 節鋰電池為市場上國產某品牌容量為 1.57 Ah 的 18650 電池。實驗中通過上位機串口觸摸屏將主動均衡功能打開時，記錄均衡電流和單體電壓變化數據。每隔 30 min 后停止均衡，等電壓穩定后，記錄各個單體電壓，如圖 7 所示。其中均衡電流最大能到 1.18 A，均衡能力較強，單體的最大電壓差從 0.49 V 減少到 0.1 V 以內用了 120 min。
4 總結
采用自適應電壓懸浮控制的 MOS 管開陣列和隔離單向 DC/DC 均衡電路實現模組對單體電池的均衡，該開關陣列與傳統采用電磁繼電器和光耦固態繼電器相比，具有成本低、導通電阻小、壽命長，而且控制簡單。隔離單向 DC/DC 均衡電路采用降壓隔離 DC/DC 變壓器和專用的鋰電池充電管理芯片 TP5100 組成，可以自動對鋰電池進行恒流或者恒壓充電均衡，恒流充電時，均衡電流可達 1.18 A，均衡能力強，而且不會因為控制不當而造成鋰電池過充，能有效延長電池壽命，具有運用價值。——論文作者：劉德鋒，謝旭良
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