有關鋰電池組保護板均衡充電基本工作原理了解
電動車充電器的有關知識
充電器的分類：用有、無工頻（
50
赫茲）變壓器區(qū)分，可分為兩大類。貨運三輪充電器一
般使用帶工頻變壓器的充電機，體積大、重量大，費電，但是可靠，便宜；電動自行車和電
摩則使用所謂開關電源式充電器，省電，效率高，但是易壞。
開關電源式充電器的正確操作是：
充電時，
先插電池，
后加市電；
充足后，
先切斷市電，
后拔電池插頭。如果在充電時先拔電池插頭，特別是充電電流大（紅燈）時，非常容易損壞
充電器。
常用的開關電源式充電器又分半橋式和單激式兩大類，
單激類又分為正激式和反激式
兩類。半橋式成本高，性能好，常用于帶負脈沖的充電器；單激式成本低，市場占有率高。
關于負脈沖充電器
鉛酸電池已經有
100
多年的歷史了，
開始全球普遍沿引老的觀點和操作規(guī)程：
充、
放
電率為
0.1C(C
是電池容量
)
壽命較長。
美國人麥斯先生為解決快速充電問題，
1967
年向全世
界公布了他的研究成果，用大于
1C
率脈沖電流充電，充電間歇時對電池放電。放電有利于
消除極化、降低電解液溫度、提高極板接受電荷的能力。
我國一些科技工作者在
1969
年前后，根據(jù)麥斯先生的三定律制作成功了多種品牌的
快速充電機。
充電循環(huán)過程是：
大電流脈沖充電→切斷充電通路→對電池短暫放電→停止放
電→接通充電通路→大電流脈沖充電??
2000
年前后，有人將這一原理用到了電動車充電器中，充電過程中，不切斷充電通
路，用小電阻將電池短路瞬間，
進行放電。短路時由于不切斷充電通路，在充電通路中串連
了電感。一般在
1
秒內短路
3
－
5
毫秒（
1
秒＝
1000
毫秒）
，由于電感里的電流不能跳變，
短
路時間短促，
可以保護充電器的電源轉換部分。
如果把充電電流方向叫正，
放電自然為負了，
電動車業(yè)就出現(xiàn)了名詞“負脈沖充電器”
，而且稱可以延長電池壽命等等。
關于三段式充電器
近幾年，
電動車普遍使用了所謂三段式充電器，
第一個階段叫恒流階段，
第二個階段
叫恒壓階段，
第三個階段叫涓流階段。
從電子技術角度針對電池而言：
第一個階段叫充電限
流階段，
第二個階段叫高恒壓階段，
第三個階段叫低恒壓階段比較貼切。
第二階段和第三階
段轉換時，面板指示燈相應變換，大多數(shù)充電器第一、二階段是紅燈，第三階段變綠燈。第
二階段和第三階段的相互轉換是由充電電流決定的，
大于某電流進入第一第二階段，
小于某
電流進入第三階段。這個電流叫轉換電流，也叫轉折電流。
早期充電器，
包括名牌車配套的充電器，雖然也變燈，
但實際是恒壓限流充電器，并
不是三階段充電器。一般這類就一個穩(wěn)定電壓值，
44.2V
左右，對當時的高比重硫酸的電池
還湊合。
關于三段式充電器的三個關鍵參數(shù)
第一個重要參數(shù)是涓流階段的低恒壓值，
第二個重要參數(shù)是第二階段的高恒壓值，
第
三個重要參數(shù)是轉換電流。這三個重要參數(shù)與電池數(shù)目有關，與電池的容量
Ah
有關，與溫
度有關，與電池種類有關。為了方便大家記憶，下面以最常見的電動自行車（三塊
12V
串
聯(lián)的
10Ah
電池）所用的三段式充電器為例簡單介紹一下：
首先討論涓流階段的低恒壓值，
參考電壓為
42.5V
左右。
此值高將使電池失水，
容易
使電池發(fā)熱變形；此值低不利于電池充足電。此值在南方要低于
41.5V
；膠體電池要低于
41.5V
，如在南方還要低一點兒。這個參數(shù)是相對嚴格的，不可以大于參考值。
其次討論第二階段的高恒壓值，參考電壓為
44.5V
左右。此值高有利于快速充足電，
但是容易使電池失水，
充電后期電流下不來，
結果使電池發(fā)熱變形；
此值低不利于電池快速
充足電，有利于向涓流階段轉換。這個值雖然沒有第一個值那樣嚴格，但是也不要過高。
最后討論轉換電流，
參考電流為
300
毫安左右。
此值高有利于電池壽命，
不容易發(fā)熱
本文介紹的是有關鋰電池組保護板均衡充電基本工作原理，在采用單節(jié)鋰電池保護芯片設計的且具備均衡充電能力的鋰電池組保護板，示意圖如圖1所示。
其中：1為單節(jié)鋰離子電池；2為充電過電壓分流放電支路電阻；3 為分流放電支路控制用開關器件；4為過流檢測保護電阻；5為省略的鋰電池保護芯片及電路連接部分；6為單節(jié)鋰電池保護芯片(一般包括充電控制引腳CO,放電控制引腳DO，放電過電流及短路檢測引腳VM，電池正端VDD，電池負端VSS等)；7為充電過電壓保護信號經光耦隔離后形成并聯(lián)關系驅動主電路中充電控制用MOS管柵極；8為放電欠電壓、過流、短路保護信號經光耦隔離后形成串聯(lián)關系驅動主電路中放電控制用MOS管柵極；9為充電控制開關器件；10為放電控制開關器件；11為控制電路；12為主電路；13為分流放電支路。單節(jié)鋰電池保護芯片數(shù)目依據(jù)鋰電池組電池數(shù)目確定，串聯(lián)使用，分別對所對應單節(jié)鋰電池的充放電、過流、短路狀態(tài)進行保護。該系統(tǒng)在充電保護的同時，通過保護芯片控制分流放電支路開關器件的通斷實現(xiàn)均衡充電，該方案有別于傳統(tǒng)的在充電器端實現(xiàn)均衡充電的做法，降低了鋰電池組充電器設計應用的成本。
圖1 具備均衡充電能力的鋰電池組保護板示意圖
當鋰電池組充電時，外接電源正負極分別接電池組正負極BAT+和BAT-兩端，充電電流流經電池組正極BAT+、電池組中單節(jié)鋰電池1～N、放電控制開關器件、充電控制開關器件、電池組負極BAT-,電流流向如圖2所示。
圖2 充電過程
系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰電池保護芯片的充電過電壓保護控制信號經光耦隔離后并聯(lián)輸出，為主電路中充電開關器件的導通提供柵極電壓；如某一節(jié)或幾節(jié)鋰電池在充電過程中先進入過電壓保護狀態(tài)，則由過電壓保護信號控制并聯(lián)在單節(jié)鋰電池正負極兩端的分流放電支路放電，同時將串接在充電回路中的對應單體鋰電池斷離出充電回路。
鋰電池組串聯(lián)充電時，忽略單節(jié)電池容量差別的影響，一般內阻較小的電池先充滿。此時，相應的過電壓保護信號控制分流放電支路的開關器件閉合，在原電池兩端并聯(lián)上一個分流電阻。根據(jù)電池的PNGV等效電路模型，此時分流支路電阻相當于先充滿的單節(jié)鋰電池的負載，該電池通過其放電，使電池端電壓維持在充滿狀態(tài)附近一個極小的范圍內。假設第1節(jié)鋰電池先充電完成，進入過電壓保護狀態(tài)，則主電路及分流放電支路中電流流向如圖3所示。當所有單節(jié)電池均充電進入過電壓保護狀態(tài)時，全部單節(jié)鋰電池電壓大小在誤差范圍內完全相等，各節(jié)保護芯片充電保護控制信號均變低，無法為主電路中的充電控制開關器件提供柵極偏壓，使其關斷，主回路斷開，即實現(xiàn)均衡充電，充電過程完成。
圖3 分流均衡過程
當電池組放電時，外接負載分別接電池組正負極BAT+和BAT-兩端，放電電流流經電池組負極BAT-、充電控制開關器件、放電控制開關器件、電池組中單節(jié)鋰電池N～1和電池組正極BAT+,電流流向如圖4所示。系統(tǒng)中控制電路部分單節(jié)鋰電池保護芯片的放電欠電壓保護、過流和短路保護控制信號經光耦隔離后串聯(lián)輸出，為主電路中放電開關器件的導通提供柵極電壓;一旦電池組在放電過程中遇到單節(jié)鋰電池欠電壓或者過流和短路等特殊情況，對應的單節(jié)鋰電池放電保護控制信號變低，無法為主電路中的放電控制開關器件提供柵極偏壓，使其關斷，主回路斷開，即結束放電使用過程。
圖4 放電過程
一般鋰電池采用恒流-恒壓(TAPER)型充電控制，恒壓充電時，充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小。系統(tǒng)中充放電主回路的開關器件可根據(jù)外部電路要求滿足的最大工作電流和工作電壓選型。
控制電路的單節(jié)鋰電池保護芯片可根據(jù)待保護的單節(jié)鋰電池的電壓等級、保護延遲時間等選型。
單節(jié)電池兩端并接的放電支路電阻可根據(jù)鋰電池充電器的充電電壓大小以及鋰電池的參數(shù)和放電電流的大小計算得出。均衡電流應合理選擇，如果太小，均衡效果不明顯；如果太大，系統(tǒng)的能量損耗大，均衡效率低，對鋰電池組熱管理要求高，一般電流大小可設計在50～100mA之間。
分流放電支路電阻可采用功率電阻或電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)。這里采用電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)分流放電支路電阻較為合理，可以有效消除電阻偏差的影響，此外，還能起到降低熱功耗的作用。
