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動力鋰離子電池管理系統(tǒng)設(shè)計方法

鉅大LARGE  |  點擊量:892次  |  2021年06月29日  

動力鋰離子電池管理系統(tǒng)設(shè)計方法


摘要:本文討論了動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方法,以實現(xiàn)對鋰離子電池動力鋰電池包的過充電保護、過放電保護、過流保護和均衡充電等功能。


關(guān)鍵詞:鋰離子動力鋰電池包;管理系統(tǒng);過流;過放電;過充電;均衡控制


引言


鋰離子電池的廣泛使用已有十多年,但早期重要用于手機、筆記本電腦、攝像機、DVD等一系列小型移動式電子產(chǎn)品,這些場合往往都單串使用,負(fù)載電流較低,安全系數(shù)高。最近兩年來,鋰離子電池以其輕便、高能量密度、無污染等特點,已經(jīng)開始在電動自行車、電動工具和動力玩具范疇上得到快速使用,并逐步使用于混合動力車和電動汽車輛范疇。但動力鋰離子電池的安全性仍是人們目前最為關(guān)注的問題,所以對其的保護就非常緊要。除了確保鋰離子電池自身安全性的繼續(xù)改進,非得同時研究電池的管理系統(tǒng),使電池及其使用能均衡發(fā)展。鋰離子電池的保護重要包括過充電保護、過放電保護、過電流及短路保護等。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

1保護電路的功能


1.1過充電保護


對鋰離子電池來說,其充電后單節(jié)電芯最高電壓不得超過規(guī)定值,否則電池內(nèi)的電解質(zhì)會被分析,使得溫度上升并萌生氣體,降低電芯的使用壽命,嚴(yán)重時甚至?xí)鸨ǎ员Wo電路一定要保證絕對不可過度充電,非得對電池包中每一節(jié)電池的端電壓進行監(jiān)控,當(dāng)電芯的電壓超過設(shè)定值時,即激活過充電保護功能,由保護電路切斷充電回路,中止充電。在電芯電壓回歸到準(zhǔn)許的電壓并解除過充鎖定模式時,才能停止保護。不同材料的鋰離子電池其保護電壓和釋放電壓都有其不同的規(guī)定值。


另外,還非得留意因噪聲所萌生誤動作,為了戒備誤判和誤操作,還要設(shè)置過充保護延時,并且延遲時間不能短于噪聲的繼續(xù)時間。當(dāng)電壓繼續(xù)超過過充測試電壓一按時間以上才會觸發(fā)過充保護。


1.2過放電保護

無人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

鋰離子電池的過度放電,也會縮短其使用壽命,而且對電池造成的損害往往是不可逆的。為了戒備鋰離子電池的過放電狀態(tài),當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過放電電壓測試點時,即激活過放電保護,中止放電,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式,參數(shù)設(shè)置類似過充保護。


1.3過電流/短路保護


鋰離子電池的最大放電電流有一定限制,過大的放電電流同樣會引起鋰離子電池的不可恢復(fù)的損壞,影響其使用壽命。


短路保護這個功能其實是過流保護的擴展,若由于外部短路等原由引起的大電流放電時要立刻停止放電,否則對鋰離子電池本身和外部設(shè)備都可能會造成嚴(yán)重的損害。


過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒,而短路保護的延時時間是微秒級的,幾乎是短路的瞬間就切斷了回路,可以防止短路對電池帶來的巨大損傷。


就電動工具而言,保護電流值和延時時間的設(shè)置還非得和電動工具本身的參數(shù)結(jié)合起來,否則會影響工具的輸出扭矩和電機的壽命。


1.4電池均衡


動力鋰離子電池一般都要幾串、幾十串甚至幾百串以上,由于電池在加工過程中,從涂膜開始到成為成品要經(jīng)過很多道工序,即使經(jīng)過嚴(yán)格的測試程序,使每組電源的電壓、電阻、容量一致,但使用一段時間以后,電池內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)萌生波動,形成不一致的狀態(tài),就會萌生這樣或那樣的差異。這種差異體現(xiàn)為電池包洋溢或放完時串聯(lián)電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導(dǎo)致電池包充電的過程中,電壓過高的電池芯提早觸發(fā)電池包過充電保護,而在放電過程中電壓過低的電池芯導(dǎo)致電池包過放電保護,從而使電池包的整體容量分明下降,整個電池包體現(xiàn)出來的容量為電池包中性能最差的電池芯的容量,而且使用時很容易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象,且不易發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致提前失效。因此要求保護電路能夠完成電池單元的均衡操作,用以從具有較高電壓的電池抽取多余的電流,消耗多余的電量,實現(xiàn)電池均衡,最大限度地發(fā)揮動力鋰離子電池的效用,延長電池的使用壽命,新增安全性。目前常用的均衡辦法有儲能均衡和電阻均衡。


儲能均衡是利用電池對電感或電容等儲能元件的充放電,通過繼電器或者開關(guān)器件實現(xiàn)儲能元件在不均衡電池間的切換,達(dá)到電池間的能量轉(zhuǎn)移。這種均衡充電辦法一般控制網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,安全性管理要求高,在使用中應(yīng)留意掌握好儲能元件的充放電時間,其最大的優(yōu)勢是充、放電(工作)使用中,都可平衡各單元電池的功能,且不消耗鋰離子電池包的電能。


電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網(wǎng)絡(luò)的通斷對電池包進行分流均衡,這種辦法可以同時對多節(jié)電池進行均衡,控制簡單。但是均衡過程中假如電阻選的過大,則均衡電流太小,效果甚微;假如電阻選的過小,則電阻功率很大,系統(tǒng)能量損耗大,均衡效率低,系統(tǒng)對熱管理要求較高,要進行溫度測試控制。


電阻均衡的原理是在電池包充電的過程中,當(dāng)某節(jié)電池充電速度較快,電壓高于其他電池,系統(tǒng)通過控制開關(guān)控制均衡電阻的導(dǎo)通分流,降低電池的充電速度,以達(dá)到各節(jié)電池均衡充電的目的。


2保護功能的實現(xiàn)


關(guān)于鋰離子電池的保護辦法重要有兩種:單片機控制和集成電路保護芯片。


2.1IC控制


目前可以實現(xiàn)鋰離子電池保護功能的芯片很多,國外、臺灣、大陸都有很多種芯片可以選擇,目前日系理光和精工的方法采用的比較多,方法成熟,外圍電路簡單,但是價格比較貴。


各種保護IC實現(xiàn)的功能相差無幾,其保護模式和外部線路也大同小異,在實際使用中可依據(jù)要選擇不同IC。選擇IC的時候要多方考慮,不同型號的IC的過充電保護電壓是不同的,有4.25V也有4.35V的,還有IC的自身功耗、外圍電路是不是夠簡單、保護IC的各參數(shù)精度是不是符合要求,體積是不是足夠小,都要考慮周到。


保護板除了保護功能完善以外,低功耗也是緊要的參數(shù)。為戒備過度放電,保護IC非得測試電池電壓,一旦達(dá)到過度放電測試電壓以下,就非得關(guān)斷功率MOSFET而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在,因此要使保護IC消耗的電流降到最低程度,在保護狀態(tài)時,其靜態(tài)耗電流非得要小0.1uA。


另外動力鋰離子電池組工作或充電時瞬間會有高壓萌生,因此保護IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。


圖1是以精工S-8254A為保護IC的4串使用原理圖。S-8254系列內(nèi)置高精度電壓測試電路和延遲電路,是用于3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)鋰離子或者鋰聚合物可充電電池保護的IC。通過SEL端子的切換,可用來保護3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)電池。


圖1S-8254A4串保護原理圖
當(dāng)然目前的電池保護芯片一般最多能保護4節(jié)鋰離子電池,然而很多使用都要5節(jié)以上的鋰離子電池串聯(lián)工作,比如電動工具、電動自行車和UpS,此時又要怎么樣處理呢?如圖2所示,該電路可以實現(xiàn)20A/24V的輸出功率,以精工S-8254AAV作為控制芯片的一個使用實例,它同時使用兩個保護芯片串聯(lián)在一起,保護8串鋰離子電池包,過放保護電壓為2.70V±0.080V,過充保護電壓為4.250V±0.025V。
圖28串動力鋰離子電池保護電路
該電路均衡控制采用R5408芯片,電壓測量精度比較高,均衡電流可達(dá)1A。
2.2MCU控制
現(xiàn)有的一些集成電路保護芯片重要是針對4節(jié)電芯以下的電池包的保護,而關(guān)于4節(jié)以上的電池包可以采用多個單級保護芯片串聯(lián)的方式或幾個多級保護芯片串聯(lián)的方式。但這種利用多個保護芯片串聯(lián)的方式對4節(jié)電芯以上的電池包進行保護的電路可擴展性差。同時,集成保護芯片往往只針對一種或一類電池的特性,缺乏靈活性,成本往往也比較高。為此,結(jié)合鋰離子動力鋰電池的充放電特點,許多場合動力鋰離子電池保護電路,采用以MCU(微解決器)為核心的設(shè)計方法。
以微解決器作為各種功能控制的核心,除了對鋰離子電池包供應(yīng)過充、過放、過流保護,有效地對鋰離子電池包內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電供應(yīng)動態(tài)均衡、溫度保護、短路保護外,同時可以供應(yīng)如容量預(yù)測、通訊、身份識別等功能。
3硬件抗干擾措施
動力鋰離子電池管理系統(tǒng)作為一個使用系統(tǒng)的一部分,會常常受到各種電磁干擾,其實際的工作環(huán)境是比較惡劣,有必要在硬件設(shè)計和pCB板的布線上采取一定的抗干擾措施。
4其他要求
因為電池重要是用來給主使用項目供電,因此要求BMS惟有極低的功耗。
5結(jié)束語
動力鋰離子電池包的監(jiān)控是一個較新的課題,其管理系統(tǒng)將會綜合監(jiān)測保護技術(shù)設(shè)計思想,具有對電池包進行靜止、充電、放電、管理、自動維護等基本功能,達(dá)到實用、可靠的使用要求。

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