一種鋰電池組充放電保護系統

摘要：鋰電池能量密度高，難以確保電池的安全性，在過度充電狀態下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產生氣體，容易使內壓上升而產生自燃或破裂的危險[3]；因此鋰電池的過度充電及過電流保護很重要，所以通常都會設計保護電路，用以保護鋰電池。

關鍵詞：鋰電池組；充放電；保護系統

1 系統設計

本文采用松下公司的18650鋰電池構成鋰電池組，由5路電池并聯構成，每一路電池由10節鋰電池串聯形成。單節鋰電池的額定電壓為3.6v，電池組總容量為16A·h，最高總電壓為42v，可持續放電電流可達8A。

采集模塊用來采集鋰電池的電壓和電流，并將這些數據送至單片機；

控制模塊以MSP430為核心控制芯片，根據鋰電池的實際電壓和電流控制鋰電池的停充與停放；均衡模塊對狀態不正常的鋰電池進行調整，使其恢復到正常的狀態，減少鋰電池的損壞鋰電池組充放電保護系統的保護方式分為2個層級。

1.1 預設每一路鋰電池過充、過放以及過流的閥值電壓和電流，當任何一路鋰電池的電壓或者電流在充放電過程中超過了預設閥值，停止充放電，并對每一路鋰電池進行均衡控制，使其電池狀態回到安全范圍之內。

1.2 預設每一路電池組中單節電池的過充、過放電壓，當單節鋰電池電壓超過預設閥值后，停止充放電，并對每一路電池組中的單節電池進行均衡控制，使每節單體電池的電池狀態趨于一致并處于安全范圍之內。

2 硬件設計

2.1 控制模塊

本鋰電池組充放電保護系統采用MSP430fr5947作為控制芯片，MSP430系列單片機是一種超低功耗的處理器。

MSP430單片機的ADC通道外接數據采集電路，采集鋰電池組的電壓和電流，LFXIN和LFXOUT為晶振的輸入輸出，IO1—IO5為5路電池的輸出使能端，同時還外接自檢電路和均衡電路。按下按鍵S1，鋰電池組電壓自檢，安全狀態下同時拉高IO1—IO5，鋰電池組環路激活，開始放電，再次按下，斷開電路；按下按鍵S2，檢測一路鋰電池單節電池電壓，再次按下，切換檢測下一路；按下按鍵S3，檢測單路鋰電池充電電流。

2.2 采集模塊

2.2.1 電壓信號采集

在電壓檢測中，采集每一路電池的單節單體電池電壓以及每一路電池總電壓，然后切換至下一路電池，直至5路電池采集完畢。本文采用一種簡單有效的電壓采集電路。

2.2.2 電流信號采集

以采樣電阻作為電流傳感器，通過采集采樣電阻的端電壓來獲取每一路電池組的充電電流，在鋰電池組充電過程中，采用切換充電方式，分別對每一路電池組進行單獨充電。在鋰電池組的負極串聯一個采樣電阻，INGND為MSP430單片機的地，在充電過程中，充電電流從電池組負極流入，經過采樣電阻流向INGND，IN/ADC連接MSP430的 ADC通道，經過降噪電路，檢測Ur節點的電壓，獲取采樣電阻的端電壓，由單片機對它進行A/D轉換和采樣，采樣電阻r為0.15Ω。

2.3 均衡模塊

本文采用穩定性更高的儲能型均衡電路來作為鋰電池組充放電管理系統的均衡模塊。采用IR公司的IRFP3710 型號的MOSFET場效應管作為均衡模塊中的開關元器件，驅動電路要求結構簡單、損耗低且能在MOSFET場效應管柵極和源極之間提供足夠的電壓來控制開關的導通和斷開。

在均衡電路中，通過微處理器運算處理，得出單節鋰電池電壓與鋰電池組平均電壓的差值，與系統預設差值比較，導通相應鋰電池對應的開關，將電池多余的能量存儲至電容C，或者將電容中的能量轉移至能量較低的電池，使每一路電池組以及每節單體電池能量盡量趨于一致并處于安全范圍之內，形成對鋰電池組的兩級充放電保護。在驅動電路中，由于IRFP3710型號場效應管的驅動電壓較高，為了使驅動電壓高于MOSFET的開啟閥值并提供足夠的瞬時電流，保證 MOSFET開關的響應速度，選擇PC923作為驅動器件，這種含有光電耦合的隔離放大IC是專為MOSFET設計的，供電電壓范圍為15～30V，輸出驅動電流為0.4A，驅動能力強，性能穩定，響應速度快。驅動器件PC923連接MSP430的正極與地，并給它提供15V的供電電壓，驅動Qc來控制開關的導通和關閉。

3 軟件設計

在鋰電池組充放電保護過程中，有以下幾種保護方式。

3.1 鋰電池組過流保護。啟動鋰電池組充放電保護系統時進行電池組狀態自檢，系統預設每路電池組之間單體電池最高電壓差為3V，當檢測其值超過 3V 時，判定回路電流過大，直接進入掉電模式，防止過流，保護鋰電池組。

3.2 鋰電池組過放保護。在放電過程中，鋰電池的放電倍率不能過大，否則會引起電池內部溫度快速升高導致鋰電池使用壽命縮短。系統預設放電閥值電壓為2.5V，當鋰電池在放電過程中，單節電池電壓低于2.5V或者每一路電池總電壓低于25V時，停止放電，防止過放。

3.3 鋰電池組過充保護。在充電過程中，對鋰電池組進行三階段充電。涓流充電階段使用小電流充電將鋰電池組的電壓充至下限門閥電壓之上。變電流間歇充電階段分為充電期和間歇期，在充電期對鋰電池采取階梯遞減的輸入電流進行充電，然后進入短暫的停充期，變電流間歇充電法提升了充電速度，在間歇期減小了電池的極化現象。恒壓充電階段采用恒定電壓對電池進行充電。系統預設充電閥值電流為0.32A，每一路鋰電池充電電流降至0.32A時，停止充電，防止過充。在均衡管理中，系統設定單節鋰電池電壓Ui與鋰電池的平均電壓Uave之間的最大壓差ΔUmax為200mV，在ΔU超過200mV時，啟動均衡管理對電池狀態進行控制。同時設定單節鋰電池電壓Ui與鋰電池的平均電壓Uave的安全閥值壓差ΔUmin為50mV，經過均衡管理，在ΔU低于50mV時，結束均衡管理。

4 結語

鋰電池組有區別于單體電池的額外特性，基于目前電池設計與制造技術水平，單體之間的性能差異在其整個生命周期里客觀存在，要想避免單體由于過充、過放導致提前失效，使電池組的功能和性能指標達到或者接近單體的平均水平，對蓄電池組充放電實現科學管理是必由之路。

參考文獻：

[1]郭軍 純電動汽車動力鋰電池均衡充電的研究[J].電源技術，2012年4期.

[2]集成信號和電源隔離的鋰離子電池組監控器[J].電子技術應用，2011年9期.

[3]肖峰.電動汽車鋰離子電池組均衡充電技術研究[D].天津理工大學研究生學位論文，2010年.

作者簡介：高臣助，1987年9月12日，男，漢族，河南省南陽市新野縣，本科，助理工程師，與電池相關的電氣電子。