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電池組管理電路設(shè)計(jì)

電池組字母和數(shù)字組合代表的含義

便攜式電源如移動(dòng)電源,電動(dòng)車電源、汽車電源等都是由一個(gè)個(gè)電池單元組成的,由于電池產(chǎn)品固有的誤差,要平衡這個(gè)誤差讓電池組更好的工作,就需要做BMS管理設(shè)計(jì),那么電池組的管理電路設(shè)計(jì)怎么做呢?

電池組管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電池組管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)體是一個(gè)工業(yè)上使用的便攜式電池組設(shè)備,采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式處理器,并使用USB接口與電腦相連接,面向的是大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。這個(gè)設(shè)備需要30V直流電壓,所以計(jì)劃使用4個(gè)1000mAh鋰聚合物電池串聯(lián)的電池組;另外,出于防水防塵的考慮,對(duì)外只使用一個(gè)方形的USB接口(USBB Type Sockr,這個(gè)USB口同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。

控制核心包括FPGA及其所連的接口、顯示電路,需要3.3V的低電壓,由高效率的DC/DC芯片從4芯鋰電池組直接降壓得到。這個(gè)電壓很重要,所以需要保持穩(wěn)定且連續(xù),除非電池組低電量或者過(guò)流保護(hù),否則此電壓一直供給。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要30V直流電壓,電流大約80mA左右,使用一個(gè)升壓DC/DC電路,這個(gè)電路由控制核心操縱,平時(shí)是不工作的,只在需要?jiǎng)幼髦伴_啟。

充電使用外部20V電源,通過(guò)USB接口連接。使用這種電源的考慮是為了進(jìn)行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個(gè)端口,為了避免接入普通USB時(shí)進(jìn)入充電程序,需要一個(gè)電壓判斷電路進(jìn)行判斷。

由于合乎需要的芯片解決方案市場(chǎng)上很難尋覓,決定使用FPGA的剩余邏輯資源來(lái)實(shí)現(xiàn)充電器的控制功能,添加少量的模擬電路來(lái)輔助。這就要求對(duì)控制電路的供電不能中斷,電池組必須一直在線,并且電池負(fù)極需要一直與GND連接。

1、電壓采樣

最重要的部分就是電壓采樣電路的設(shè)計(jì),要求精度高并且受溫度影響小。這個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電池電壓對(duì)于GND而言是浮動(dòng)的。很多方案采取了差分運(yùn)放轉(zhuǎn)換到對(duì)地電壓然后輸入專用ADC進(jìn)行AD變換的方案。但這個(gè)方案由于引入了差分運(yùn)放,產(chǎn)生了許多問(wèn)題。首先,電壓比較高,運(yùn)放很難找;其次,運(yùn)放的電源與輸入電壓使用同一個(gè)電源,這樣一來(lái)就要求運(yùn)放需要軌到軌輸入的功能;再次,可能還需要一個(gè)負(fù)電源,使用DC/DC又引入了噪聲;另外,運(yùn)放及使用匹配的電阻使得精度降低。

RC充電電路

RC充電電路

為了盡量簡(jiǎn)化電路,這里構(gòu)造了積分型的ADC,將FPGA定時(shí)的高精度轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量的高精度。其工作流程是:J1先閉合,釋放C1上的電荷;然后J1打開,由R1對(duì)C1進(jìn)行充電;電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較,當(dāng)C1電壓超過(guò)V2時(shí)輸出高電平。統(tǒng)計(jì)從J1打開到U1輸出高電平之間的時(shí)間,便可以確定V1的電壓大小??梢灾庇^地看出,V1越高,這段時(shí)間越短。

實(shí)際取樣電路圖

實(shí)際取樣電路圖

實(shí)際的電路如圖3所示,注意這幅圖只畫出了第一個(gè)電池的測(cè)量電路。其中,R1與C1便是積分使用的電阻與電容,Q1是常用的P-MOSFET,這里用來(lái)實(shí)現(xiàn)J1給電容放電的功能,U5 同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制,來(lái)自FPGA,X2是開關(guān)量輸出,去往FPGA。

這個(gè)電路在靜態(tài)時(shí)僅僅消耗MAX921的4uA電流和C1、Q1、Q2的漏電流,基本可以忽略不計(jì),非常省電。

這個(gè)電路另外一個(gè)特色是省掉了經(jīng)常使用的光電耦合器,而使用電容C2代替。靜態(tài)時(shí),C2兩端達(dá)到電壓平衡,不消耗電能,此時(shí),X2電壓為0。U5輸出高電平時(shí),因?yàn)镃2兩端電壓不能瞬變,故X2電壓被提升。D1與D2兩個(gè)肖特基二極管是起限幅作用的。仔細(xì)調(diào)整C2與R4的值就能夠順利地傳遞開關(guān)量信息。

2、平衡充電

平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式,但是很多小功率的應(yīng)用中實(shí)際是沒(méi)有平衡充電的,如大多數(shù)的筆記本電腦電池組,這樣做實(shí)際上對(duì)電池壽命的影響是相當(dāng)大的。

現(xiàn)有的均衡技術(shù)主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問(wèn)題就是控制起來(lái)很復(fù)雜。

現(xiàn)在很多專用芯片或者單片機(jī)解決方案使用的是外部均衡的方式,這種方式是通過(guò)可控制的耗能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個(gè)耗能元件來(lái)消耗能量,從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩(wěn)壓二極管上的耗能太大,造成的發(fā)熱量是不能忍受的。

當(dāng)然,這只是一個(gè)示意圖,不包括電流檢測(cè)電路(輸入到變壓器之間)和電壓檢測(cè)電路(變壓器次級(jí)繞組)。其中,開關(guān)陣列是用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)。

這種做法,管子都工作在開關(guān)狀態(tài),耗能很少,另外電池沒(méi)有串聯(lián)二極管,可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復(fù)雜,由于要匹配每個(gè)電池的電壓,所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離,因?yàn)殚_關(guān)頻率可以做得很高,T1變壓器的體積很小。整個(gè)充電電路工作在開關(guān)狀態(tài),不再添加任何的控制模塊,由FPGA直接控制場(chǎng)效應(yīng)管,電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)電路的輸出也轉(zhuǎn)化為開關(guān)量直接傳給FPGA。

充電分為四個(gè)步驟:

a)檢測(cè)是否有電池單體低于2.5V,如有,使用5%的占空比對(duì)低于2.5V的電池輪流充電,使其升壓到2.5V;

b)打開J1和J8,對(duì)整體進(jìn)行大電流充電,同時(shí)測(cè)量電池單體的電壓,如果有電池單體達(dá)到4.2V,進(jìn)入下個(gè)步驟;

c)逐漸降低占空比,使單體電池的最高電壓維持在4.2V,直到占空比<5%;

d)對(duì)未到4.2V的電池進(jìn)行輪流充電,當(dāng)占空比均下降到5%時(shí),充電結(jié)束。

這里需要說(shuō)明的是,a)和d)步驟中輪流充電是通過(guò)開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)的,并且輪流充電并不會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間,這是因?yàn)榇藭r(shí)的占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25%,可以在一個(gè)充電周期內(nèi)分別給四個(gè)電池充電。

3、過(guò)流和低壓保護(hù)

為了保證電池組的絕對(duì)安全,電池組的過(guò)流和低壓保護(hù)是獨(dú)立設(shè)置的,當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可直接切斷電池組的輸出,這種類型的電路也非常普遍。

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