一種大功率鋰電池組過流能力測量方法研究與設計

廣州微宏電源科技有限公司 夏 斌

一種大功率鋰電池組過流能力測量方法研究與設計

廣州微宏電源科技有限公司 夏 斌

鋰電池組在生產過程中，各單體電芯連接情況、保護電路焊接情況、尤其是關鍵電路部分---電流開關驅動電路的焊接情況及開關元件本身一致性和ESD受損程度的好壞影響電池組整體過流能力的表現。如果電流開關驅動電路部分受損將會影響到電池組整體溫度過高、過流保護異常、短路保護失效、過放保護漏電、整體靜態功耗劇增等情況發生。傳統過流能力檢測采用保護值上下限的簡單測試，不能按照脈沖時間和數量來測試驅動器件的可靠性，無法加嚴測試熱關斷性能。

鋰電池；保護電路；過流保護；短路保護

鋰電池目前已成為大多數人生活中的必須品，它雖造福于民，但其危險性也不容小覷，尤其是大功率大容量的鋰電池，具有儲存能量高、電池電壓高、放電功率大、耗散發熱大等特性，已成為手機、平板電腦、筆記本電腦、電動自行車和電動汽車的主要供給電源之一。電池組通常由多個單體電芯串/并聯組成，由于鋰電池本身的化學物理特性，決定了上述優點的存在，但也隨之產生了許多危險的特性。比如,鋰電池組在發生電流過大或者正負極短路的時候，如果沒有良好的過流能力及保護能力就會發生危險，輕則燒毀線束或保險絲，重則會發生起火爆炸等可怕的事故。目前，對于電池組的一級保護一般采用MOS管、IGBT或繼電器作為電流開關，二級保護一般采用PTC或熔斷器作為電流開關。下文以行業內最常用的MOS管為例進行討論，如果MOS管驅動電路的焊接出現虛焊、MOS管本身質量缺陷或者被ESD電流破壞，產品使用過程中將會出現保護電路燒毀、甚至電池組燒毀和爆炸的危險；輕微的缺陷也可能導致過放保護失效漏電及靜態功耗劇增，最終導致整個電池組的壽命縮短和續航能力衰減，嚴重影響人們的使用和安全。

本文設計一種更加快捷、可靠和準確的檢測電路，原理圖如圖1與圖2。此測量方法采用恒流脈沖+分步逼近方式對電池組過流保護電路進行加熱老化和保護效果測量,采用高精度DAC(MAX541)作為恒流電路核心參考基準，每次對一組成品鋰電池進行檢測，測量電池組保護板MOS管驅動電路的抗脈沖能力和熱關斷能力。圖1是針對10～100A脈沖大功率驅動電路的檢測設計方案。

圖1 電流脈沖驅動電路原理圖

圖2 監控及顯示電路原理圖

1.系統設計

1.1 電路主要功能設計

電池組過流能力測量電路主要由兩大部分組成，如圖1與圖2所示。

（1）監控和顯示部分，圖2所示UC作為主控MCU，負責測量全局的控制、參數標準的設定保存、驅動電流的校準、驅動LCD液晶顯示器顯示設定標準和檢測結果，其采用一個16MHz晶振作為主頻基準，確保有足夠的速度提供微秒級別的脈沖上升/下降速度以及毫秒級別寬度的脈沖，以適應大多數電池組保護電路的設計要求。同時可將測試結果數據通過PS串口發送給條碼系統數據庫保存追溯。UIT采用高增益低漂移的OP07運算放大器作為緩沖輸入，負責對實際驅動電流進行采樣反饋。

（2）電流脈沖驅動部分，圖1所示采用16位高速、高分辨率及高精度DAC(MAX541)作為恒流電路核心參考基準，其擁有10MHz的數字輸入速率及1uS的模擬轉換輸出速率。U2和DZ1負責恒流模擬基準信號的B值補償調校，確保在DAC無輸出時Q1～Q5驅動管不工作。U11采用2000V/mV更高增益的OP1177運算放大器作為恒流模擬基準信號的緩沖輸出以及作為分流器R90～R00陣列對實際電流采樣的反饋閉環控制。從而為脈沖電流分辨率控制在5mA內，脈沖電流精度控制在±50mA公差內提供合適的硬件支持。D11～D20采用極低正向導通電壓的整流二極管陣列作為防反接保護器件，以降低耗散功率及避免工人誤操作燒毀檢測電路。U12A構成電池組接入感知電路以及聯合R56構成保護后漏電判定電路，R56可根據不同漏電的特殊PCM進行調整。B1/D9/D10構成聲光報警通知界面，用不同的提示音和顏色提示工人電池組過流能力的好壞。S1～S4按鍵陣列用于設置過流檢測標準值、脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖步進增量。RTI可變功率電阻根據實際脈沖大小進行調節，用于為Q1～Q5進行分壓，以分擔電流回路的耗散功率，降低Q1～Q5的發熱，保證Q1～Q5在工作溫度范圍內的一致性。

1.2 電流脈沖驅動時序設計

為了避免反饋電路產生自激振蕩和Q1～Q5的Ciss充電過程的影響，U11運算放大器聯合R8與C1電路使輸入輸出存在微小的相位滯后現象，約幾十微秒，如果MCU直接給予設定值的恒流信號驅動輸出，往往會出現脈沖前端尖峰過高或阻尼震蕩減小問題，導致脈沖失準，如圖3采樣IV電壓。于是在啟動脈沖時應用爬梯程序。

圖3 前端尖峰過高或阻尼震蕩失準波形圖

通過10級爬梯遞進，約300uS達到設定脈沖幅值，通過MCU軟件手段控制時序，以消除前端尖峰過高或阻尼震蕩失準的問題，達到圖4采樣IV電壓的平頂方波效果。

圖4 恒流脈沖+分步逼近時序波形圖

1.3 具體實施方式及控制流程

（1）按鍵設置：過流保護上/下限，過流脈沖時間、脈沖步進幅度、脈沖間隔時間等判定標準。步進幅度越小，脈沖個數將越多，熱關斷能力要求越高，檢測結果也越準確；

（2）接上電池組，U12A自動檢測電池組電壓有效，啟動過流脈沖檢測；

（3）MCU首先發出7個過流保護下限值脈沖預熱電池組，U12A檢測電壓若出現保護，則認為保護值偏低，LCD提示過流失敗，過流能力不足；

（4）若MCU發出下限脈沖后不出現保護狀態，則繼續按步進幅度遞增逐次逼近過流保護點，直到U12A檢測出保護狀態，此時遞增的恒流值為保護近似值。LCD顯示檢測OK；

（5）若過流脈沖遞增到大于保護上限時，U12A檢測電壓仍有效，則認為保護關斷失效或保護值超限或保護漏電異常，LCD提示過流失敗，保護失效；

（6）通信口發送檢測數據和判定結果給條碼系統數據庫保存追溯，檢測結束。

2.總結

本文設計的一種大功率鋰電池組過流能力測量方法具備速度快、準確性高、可靠性高、功能實用等特點，能發現普通過流檢測設備無法檢出的潛在不良。在廣州微宏電源科技有限公司實際應用效果良好，特別是適合電動自行車、儲能電池、平衡車、電動工具等大功率電池的檢測，往往大功率器件存在的潛在失效情況遠高于常規小功率產品，且危害也遠高于常規產品。符合國家打造優質新能源產業的戰略方針。這種方法的缺點是檢測成本比傳統方法略微增加。

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