防止電池爆炸的電池保護(hù)板

鋰電池具有高電壓的電池單體、高比能量和高能量密度，是當(dāng)前比能量最高的電池。但正是因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏缺容^高，當(dāng)發(fā)生誤用或?yàn)E用時(shí)，將會(huì)引起安全事故。而電池保護(hù)板能夠解決這一問(wèn)題。當(dāng)電池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，電池保護(hù)板能夠自動(dòng)切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節(jié)電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測(cè)等功能。

電池保護(hù)板系統(tǒng)硬件構(gòu)成:MCU模塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊。

1、電池保護(hù)板的MCU模塊

MCU是系統(tǒng)控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號(hào)的單片機(jī)。該系列所有的MCU均采用增強(qiáng)型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機(jī)具有以下特性：

(1)8MHz內(nèi)部總線頻率；(2)16KB的內(nèi)置FLASH存儲(chǔ)器；(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊；(4)支持1MHz～8MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器；(5)增強(qiáng)型串行通信接口(ESCI)模塊。

2、電池保護(hù)板的檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊中將對(duì)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)模塊分別進(jìn)行介紹。

（1）電壓檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)中，單片機(jī)將對(duì)電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于電池組整體電壓的檢測(cè)有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測(cè)模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測(cè)模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復(fù)雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測(cè)。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是28V～42V。采用3.9M?贅和300k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號(hào)的變化范圍是2V～3V，所對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為409和*。

對(duì)于單體電池的檢測(cè)，主要采用飛電容技術(shù)。

（2）電流采樣電路

電流采樣時(shí)，電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過(guò)流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時(shí)，用康銅絲對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?～5V的電壓信號(hào)送至單片機(jī)。如果放電的電流過(guò)大，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓信號(hào)比較大，就會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對(duì)于36V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設(shè)定其保護(hù)電流是60A。康銅絲的電阻是5mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60A時(shí)，康銅絲的電壓達(dá)300mV左右。為提高精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測(cè)。

（3）溫度檢測(cè)

電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)，這部分熱量不及時(shí)排除會(huì)引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì)變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì)被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對(duì)電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示：

3、電池保護(hù)板的均衡模塊

電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較多的I/O口驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而單片機(jī)的I/O口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開(kāi)關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開(kāi)關(guān)。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為42V，副線圈電壓為電池的額定電壓4.2V。剛開(kāi)始Q4導(dǎo)通，Q2、Q3、Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當(dāng)檢測(cè)到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓4.2V以后，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉Q4，打開(kāi)Q2、Q3、Q5，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差值不會(huì)超過(guò)50mV。

2SOC電量檢測(cè)

在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC計(jì)算方法有開(kāi)路電壓法、庫(kù)倫計(jì)算法、阻抗測(cè)量法、綜合查表法。

(1)開(kāi)路電壓法是最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，主要根據(jù)電池開(kāi)路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開(kāi)路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)庫(kù)侖計(jì)算法是通過(guò)測(cè)量電池的充電和放電電流，將電流值與時(shí)間值的乘積進(jìn)行積分后計(jì)算得到電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)估計(jì)SOC的值。

(3)阻抗測(cè)量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)出電池的電壓、電流參數(shù)計(jì)算出電池的內(nèi)阻，從而得到SOC的估計(jì)值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過(guò)設(shè)置一個(gè)相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。

電池保護(hù)板從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。智能邏輯的編程設(shè)定，能夠很好地做到預(yù)防電池保護(hù)板爆炸的事故。