一种大功率锂电池组过流能力测量方法研究与设计

广州微宏电源科技有限公司 夏 斌

一种大功率锂电池组过流能力测量方法研究与设计

广州微宏电源科技有限公司 夏 斌

锂电池组在生产过程中，各单体电芯连接情况、保护电路焊接情况、尤其是关键电路部分---电流开关驱动电路的焊接情况及开关元件本身一致性和ESD受损程度的好坏影响电池组整体过流能力的表现。如果电流开关驱动电路部分受损将会影响到电池组整体温度过高、过流保护异常、短路保护失效、过放保护漏电、整体静态功耗剧增等情况发生。传统过流能力检测采用保护值上下限的简单测试，不能按照脉冲时间和数量来测试驱动器件的可靠性，无法加严测试热关断性能。

锂电池；保护电路；过流保护；短路保护

锂电池目前已成为大多数人生活中的必须品，它虽造福于民，但其危险性也不容小觑，尤其是大功率大容量的锂电池，具有储存能量高、电池电压高、放电功率大、耗散发热大等特性，已成为手机、平板电脑、笔记本电脑、电动自行车和电动汽车的主要供给电源之一。电池组通常由多个单体电芯串/并联组成，由于锂电池本身的化学物理特性，决定了上述优点的存在，但也随之产生了许多危险的特性。比如,锂电池组在发生电流过大或者正负极短路的时候，如果没有良好的过流能力及保护能力就会发生危险，轻则烧毁线束或保险丝，重则会发生起火爆炸等可怕的事故。目前，对于电池组的一级保护一般采用MOS管、IGBT或继电器作为电流开关，二级保护一般采用PTC或熔断器作为电流开关。下文以行业内最常用的MOS管为例进行讨论，如果MOS管驱动电路的焊接出现虚焊、MOS管本身质量缺陷或者被ESD电流破坏，产品使用过程中将会出现保护电路烧毁、甚至电池组烧毁和爆炸的危险；轻微的缺陷也可能导致过放保护失效漏电及静态功耗剧增，最终导致整个电池组的寿命缩短和续航能力衰减，严重影响人们的使用和安全。

本文设计一种更加快捷、可靠和准确的检测电路，原理图如图1与图2。此测量方法采用恒流脉冲+分步逼近方式对电池组过流保护电路进行加热老化和保护效果测量,采用高精度DAC(MAX541)作为恒流电路核心参考基准，每次对一组成品锂电池进行检测，测量电池组保护板MOS管驱动电路的抗脉冲能力和热关断能力。图1是针对10～100A脉冲大功率驱动电路的检测设计方案。

图1 电流脉冲驱动电路原理图

图2 监控及显示电路原理图

1.系统设计

1.1 电路主要功能设计

电池组过流能力测量电路主要由两大部分组成，如图1与图2所示。

（1）监控和显示部分，图2所示UC作为主控MCU，负责测量全局的控制、参数标准的设定保存、驱动电流的校准、驱动LCD液晶显示器显示设定标准和检测结果，其采用一个16MHz晶振作为主频基准，确保有足够的速度提供微秒级别的脉冲上升/下降速度以及毫秒级别宽度的脉冲，以适应大多数电池组保护电路的设计要求。同时可将测试结果数据通过PS串口发送给条码系统数据库保存追溯。UIT采用高增益低漂移的OP07运算放大器作为缓冲输入，负责对实际驱动电流进行采样反馈。

（2）电流脉冲驱动部分，图1所示采用16位高速、高分辨率及高精度DAC(MAX541)作为恒流电路核心参考基准，其拥有10MHz的数字输入速率及1uS的模拟转换输出速率。U2和DZ1负责恒流模拟基准信号的B值补偿调校，确保在DAC无输出时Q1～Q5驱动管不工作。U11采用2000V/mV更高增益的OP1177运算放大器作为恒流模拟基准信号的缓冲输出以及作为分流器R90～R00阵列对实际电流采样的反馈闭环控制。从而为脉冲电流分辨率控制在5mA内，脉冲电流精度控制在±50mA公差内提供合适的硬件支持。D11～D20采用极低正向导通电压的整流二极管阵列作为防反接保护器件，以降低耗散功率及避免工人误操作烧毁检测电路。U12A构成电池组接入感知电路以及联合R56构成保护后漏电判定电路，R56可根据不同漏电的特殊PCM进行调整。B1/D9/D10构成声光报警通知界面，用不同的提示音和颜色提示工人电池组过流能力的好坏。S1～S4按键阵列用于设置过流检测标准值、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲步进增量。RTI可变功率电阻根据实际脉冲大小进行调节，用于为Q1～Q5进行分压，以分担电流回路的耗散功率，降低Q1～Q5的发热，保证Q1～Q5在工作温度范围内的一致性。

1.2 电流脉冲驱动时序设计

为了避免反馈电路产生自激振荡和Q1～Q5的Ciss充电过程的影响，U11运算放大器联合R8与C1电路使输入输出存在微小的相位滞后现象，约几十微秒，如果MCU直接给予设定值的恒流信号驱动输出，往往会出现脉冲前端尖峰过高或阻尼震荡减小问题，导致脉冲失准，如图3采样IV电压。于是在启动脉冲时应用爬梯程序。

图3 前端尖峰过高或阻尼震荡失准波形图

通过10级爬梯递进，约300uS达到设定脉冲幅值，通过MCU软件手段控制时序，以消除前端尖峰过高或阻尼震荡失准的问题，达到图4采样IV电压的平顶方波效果。

图4 恒流脉冲+分步逼近时序波形图

1.3 具体实施方式及控制流程

（1）按键设置：过流保护上/下限，过流脉冲时间、脉冲步进幅度、脉冲间隔时间等判定标准。步进幅度越小，脉冲个数将越多，热关断能力要求越高，检测结果也越准确；

（2）接上电池组，U12A自动检测电池组电压有效，启动过流脉冲检测；

（3）MCU首先发出7个过流保护下限值脉冲预热电池组，U12A检测电压若出现保护，则认为保护值偏低，LCD提示过流失败，过流能力不足；

（4）若MCU发出下限脉冲后不出现保护状态，则继续按步进幅度递增逐次逼近过流保护点，直到U12A检测出保护状态，此时递增的恒流值为保护近似值。LCD显示检测OK；

（5）若过流脉冲递增到大于保护上限时，U12A检测电压仍有效，则认为保护关断失效或保护值超限或保护漏电异常，LCD提示过流失败，保护失效；

（6）通信口发送检测数据和判定结果给条码系统数据库保存追溯，检测结束。

2.总结

本文设计的一种大功率锂电池组过流能力测量方法具备速度快、准确性高、可靠性高、功能实用等特点，能发现普通过流检测设备无法检出的潜在不良。在广州微宏电源科技有限公司实际应用效果良好，特别是适合电动自行车、储能电池、平衡车、电动工具等大功率电池的检测，往往大功率器件存在的潜在失效情况远高于常规小功率产品，且危害也远高于常规产品。符合国家打造优质新能源产业的战略方针。这种方法的缺点是检测成本比传统方法略微增加。

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