一种锂电池组充放电保护系统

摘要：锂电池能量密度高，难以确保电池的安全性，在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险[3]；因此锂电池的过度充电及过电流保护很重要，所以通常都会设计保护电路，用以保护锂电池。

关键词：锂电池组；充放电；保护系统

1 系统设计

本文采用松下公司的18650锂电池构成锂电池组，由5路电池并联构成，每一路电池由10节锂电池串联形成。单节锂电池的额定电压为3.6v，电池组总容量为16A·h，最高总电压为42v，可持续放电电流可达8A。

采集模块用来采集锂电池的电压和电流，并将这些数据送至单片机；

控制模块以MSP430为核心控制芯片，根据锂电池的实际电压和电流控制锂电池的停充与停放；均衡模块对状态不正常的锂电池进行调整，使其恢复到正常的状态，减少锂电池的损坏锂电池组充放电保护系统的保护方式分为2个层级。

1.1 预设每一路锂电池过充、过放以及过流的阀值电压和电流，当任何一路锂电池的电压或者电流在充放电过程中超过了预设阀值，停止充放电，并对每一路锂电池进行均衡控制，使其电池状态回到安全范围之内。

1.2 预设每一路电池组中单节电池的过充、过放电压，当单节锂电池电压超过预设阀值后，停止充放电，并对每一路电池组中的单节电池进行均衡控制，使每节单体电池的电池状态趋于一致并处于安全范围之内。

2 硬件设计

2.1 控制模块

本锂电池组充放电保护系统采用MSP430fr5947作为控制芯片，MSP430系列单片机是一种超低功耗的处理器。

MSP430单片机的ADC通道外接数据采集电路，采集锂电池组的电压和电流，LFXIN和LFXOUT为晶振的输入输出，IO1—IO5为5路电池的输出使能端，同时还外接自检电路和均衡电路。按下按键S1，锂电池组电压自检，安全状态下同时拉高IO1—IO5，锂电池组环路激活，开始放电，再次按下，断开电路；按下按键S2，检测一路锂电池单节电池电压，再次按下，切换检测下一路；按下按键S3，检测单路锂电池充电电流。

2.2 采集模块

2.2.1 电压信号采集

在电压检测中，采集每一路电池的单节单体电池电压以及每一路电池总电压，然后切换至下一路电池，直至5路电池采集完毕。本文采用一种简单有效的电压采集电路。

2.2.2 电流信号采集

以采样电阻作为电流传感器，通过采集采样电阻的端电压来获取每一路电池组的充电电流，在锂电池组充电过程中，采用切换充电方式，分别对每一路电池组进行单独充电。在锂电池组的负极串联一个采样电阻，INGND为MSP430单片机的地，在充电过程中，充电电流从电池组负极流入，经过采样电阻流向INGND，IN/ADC连接MSP430的 ADC通道，经过降噪电路，检测Ur节点的电压，获取采样电阻的端电压，由单片机对它进行A/D转换和采样，采样电阻r为0.15Ω。

2.3 均衡模块

本文采用稳定性更高的储能型均衡电路来作为锂电池组充放电管理系统的均衡模块。采用IR公司的IRFP3710 型号的MOSFET场效应管作为均衡模块中的开关元器件，驱动电路要求结构简单、损耗低且能在MOSFET场效应管栅极和源极之间提供足够的电压来控制开关的导通和断开。

在均衡电路中，通过微处理器运算处理，得出单节锂电池电压与锂电池组平均电压的差值，与系统预设差值比较，导通相应锂电池对应的开关，将电池多余的能量存储至电容C，或者将电容中的能量转移至能量较低的电池，使每一路电池组以及每节单体电池能量尽量趋于一致并处于安全范围之内，形成对锂电池组的两级充放电保护。在驱动电路中，由于IRFP3710型号场效应管的驱动电压较高，为了使驱动电压高于MOSFET的开启阀值并提供足够的瞬时电流，保证 MOSFET开关的响应速度，选择PC923作为驱动器件，这种含有光电耦合的隔离放大IC是专为MOSFET设计的，供电电压范围为15～30V，输出驱动电流为0.4A，驱动能力强，性能稳定，响应速度快。驱动器件PC923连接MSP430的正极与地，并给它提供15V的供电电压，驱动Qc来控制开关的导通和关闭。

3 软件设计

在锂电池组充放电保护过程中，有以下几种保护方式。

3.1 锂电池组过流保护。启动锂电池组充放电保护系统时进行电池组状态自检，系统预设每路电池组之间单体电池最高电压差为3V，当检测其值超过 3V 时，判定回路电流过大，直接进入掉电模式，防止过流，保护锂电池组。

3.2 锂电池组过放保护。在放电过程中，锂电池的放电倍率不能过大，否则会引起电池内部温度快速升高导致锂电池使用寿命缩短。系统预设放电阀值电压为2.5V，当锂电池在放电过程中，单节电池电压低于2.5V或者每一路电池总电压低于25V时，停止放电，防止过放。

3.3 锂电池组过充保护。在充电过程中，对锂电池组进行三阶段充电。涓流充电阶段使用小电流充电将锂电池组的电压充至下限门阀电压之上。变电流间歇充电阶段分为充电期和间歇期，在充电期对锂电池采取阶梯递减的输入电流进行充电，然后进入短暂的停充期，变电流间歇充电法提升了充电速度，在间歇期减小了电池的极化现象。恒压充电阶段采用恒定电压对电池进行充电。系统预设充电阀值电流为0.32A，每一路锂电池充电电流降至0.32A时，停止充电，防止过充。在均衡管理中，系统设定单节锂电池电压Ui与锂电池的平均电压Uave之间的最大压差ΔUmax為200mV，在ΔU超过200mV时，启动均衡管理对电池状态进行控制。同时设定单节锂电池电压Ui与锂电池的平均电压Uave的安全阀值压差ΔUmin为50mV，经过均衡管理，在ΔU低于50mV时，结束均衡管理。

4 结语

锂电池组有区别于单体电池的额外特性，基于目前电池设计与制造技术水平，单体之间的性能差异在其整个生命周期里客观存在，要想避免单体由于过充、过放导致提前失效，使电池组的功能和性能指标达到或者接近单体的平均水平，对蓄电池组充放电实现科学管理是必由之路。

参考文献：

[1]郭军 纯电动汽车动力锂电池均衡充电的研究[J].电源技术，2012年4期.

[2]集成信号和电源隔离的锂离子电池组监控器[J].电子技术应用，2011年9期.

[3]肖峰.电动汽车锂离子电池组均衡充电技术研究[D].天津理工大学研究生学位论文，2010年.

作者简介：高臣助，1987年9月12日，男，汉族，河南省南阳市新野县，本科，助理工程师，与电池相关的电气电子。