现在锂电应用无处不在,从手机、笔记本到电动车、储能电站,都离不开锂电池。但锂电池本身的化学特性决定了它不能被过度充电、过度放电,也不能过流短路,否则轻则寿命衰减重则起火爆炸。所以锂电池保护电路是锂电应用里的核心安全保障,小到一颗单节电池的保护板,大到电动车上的BMS(电池管理系统),都是围绕保护来做的。
先从最简单的单节锂电池保护板说起。一块典型的单节锂电保护板的电路结构是:电池正极接两个串联的MOS管(充电管和放电管),然后接到输出正极;电池负极直接接输出负极。保护电路通过检测电池电压和电流,在异常时控制MOS管关断,切断充电或放电回路。常见的保护阈值:过充保护电压一般是4.25V到4.30V,过放保护电压是2.30V到2.50V,过流保护阈值根据应用场景不同从几A到几十A。
保护IC是单节保护板的核心。市场上最常见的保护IC有日本的理光(RICOH)、精工(Seiko)、理光,还有国内的中星微电子、上海贝岭这些。保护IC内部集成了电压检测、电流检测、延时电路、驱动电路,外面只需要加几颗电阻电容和两个MOS管就能工作。设计时要注意几个参数的匹配:MOS管的耐压要够(至少20V以上)、导通电阻要小(几十毫欧以下),不然大电流时压降太大;电流采样电阻的阻值要根据过流阈值计算,一般是几毫欧到几十毫欧。
多节串联电池组的保护就要用BMS了。比如电动车的电池包通常是几十节甚至上百节电芯串联,总电压几百伏。BMS的核心功能有几个:电压采样(每节电芯都要测)、温度采样、均衡、SOC估算、保护逻辑(过压、欠压、过流、过温)、通信。采样精度很重要,电压要精确到毫伏级别,因为锂电池的安全电压范围很窄。均衡功能也关键,串联电池组里每节电芯的容量和内阻总有差异,充放电过程中会出现有的先满有的先空,均衡电路可以把多余的电从高电量电芯转移到低电量电芯,让整个电池组发挥最大容量。
BMS的硬件架构一般分主控板和采样板。主控板上有MCU(STM32、NXP这些)、CAN/UART通信接口、绝缘检测电路。采样板通过专用的AFE(模拟前端)芯片来采集多节电芯的电压和温度,常见的AFE有德州仪器的bq76PL536、NXP的MC33771,都是专门为多节锂电设计的,支持被动均衡甚至主动均衡。采样板和主控板之间通过隔离的通信接口(比如SMBus或专有协议)传输数据。
SOC估算(电量剩余多少)是BMS里最有技术含量的部分。简单的做法是靠电压判断,但锂电池的放电曲线不是线性的,而且受温度、电流影响很大,不准。行业里常用的是安时积分法(库仑计),对充放电电流做积分来计算电量变化,这个方法需要准确的电流采样,而且有累积误差。更好的做法是把电压法和安时积分法结合起来,再加一些补偿算法,比如卡尔曼滤波,能把SOC估算误差控制在5%以内。
实际设计中的几个坑要注意。第一是采样线的布线,每节电芯的采样线要单独拉到AFE芯片,不能共享,而且线阻要小、要一致,否则采样不准。第二是均衡电流的大小,被动均衡就是把高电量的电芯通过电阻放电,均衡电流一般是几十毫安到几百毫安,电流太小均衡效果慢,电流太大电阻发热厉害。第三是安全设计,BMS本身要考虑电气隔离、防雷、ESD保护,动力电池包的BMS更是要过ISO 26262功能安全认证。
现在还有一种趋势是把保护电路做得更智能。传统的保护IC是纯硬件逻辑,触发就关断,没有办法诊断和恢复。新一代的保护IC开始集成简单的MCU,可以记录故障日志、调整保护参数、做通信。这样做的好处是电池包可以联网,上报健康状态,远程诊断问题。当然成本也上去了,低端应用还是用纯硬件保护IC更划算。
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