摘 要：为解决电池单体之间不一致性导致的电池组可用容量下降问题，文章设计了一种模组对单体单向均衡电路。该电路由开关阵列、隔离 DC/DC 变压器和电池充电管理芯片 TP5100 组成。该开关阵列采用自适应电压悬浮控制，与传统的基于电磁继电器和光耦固态继电器的电路相比具有成本低，导通电阻小等特点。
关键词：开关阵列;自适应电压悬浮控制;主动均衡
引言
对于串联成组的电池来说，由于单体电池自身特性(如内阻、容量等)的差异，会造成电池组进行充放电时，内部串联单体电压各不相同，而为了兼顾电压最高和最低电池单体的安全性，防止过充过放，就会导致整组电池的容量得不到充分利用，而且还会影响电池组的 SOC 估算精度[1]。因此国内外学者[2]及企业采用均衡技术来减少电池单体之间的不一致性对电池组的影响，目前电池均衡已成为电池管理系统不可或缺的功能。当前市场上的 BMS 大多采用的耗散均衡技术，耗散均衡不能充分利用电池组的可用容量，在均衡过程中耗散的能量无法被利用，而且一般只能通过与均衡电阻相连电路板进行散热，散热面积小，会限制均衡功率，而且也会导致电路板局部温度过高，影响系统安全。目前主流的具有被动均衡功能芯片实现的最大均衡电流一般在 100 mA 左右。被动均衡的均衡电流受硬件散热条件限制而导致均衡效率低、均衡时间长等缺点，在使用过程中把电池能量都耗散了，降低了电池的能量使用效率。在放电的过程也未能将电池组中的单体能量使用完毕，导致电池组的能量利用率较低。
而采用主动均衡具有效率高、速度快、不浪费能量，能充分利用电池组的可用容量[3]。常用的主动均衡电路有基于电容[4]、电感[5]和隔离变压器[6]的均衡电路，而本文设计了基 于自适应电压悬浮控制开关阵列的主动均衡电路，具有控制简单、均衡能力强，而且不会因为控制不当导致均衡过程中出现单体电池过充现象发生。
1 均衡电路结构
本文采用主动均衡电路拓扑图如图 1(a)所示，用串联的 12 节 18650 电池给最小电压的单体提供能量，进行均衡。其均衡电路的控制电路结构图如图 1(b)所示，控制单元分析电压采集单元 LTC6804 采集的数据，若单体电压差的最大值大于设定的阈值或者接受到上位机发送的均衡命令时，打开对应开关阵列，接通最小电压的电池单元，进行充电均衡。
1.1 开关阵列
常用的开关阵列有基于电磁继电器式、光耦固态继电器式和 MOS 管式，下表 1 是三种常用开关阵列的对比。
目前针对 MOS 管开关阵列驱动电路，德州仪器推出的 EMB1499 和 EMB1428 芯片用于主动均衡的开关阵列驱动，但是该方案复杂，客户使用成本较高，并且一组芯片只能均衡 7 个电池单体。而另外有的方案采用高低压隔离变换器来实现低电压到高电压的悬浮电位控制，结构更为复杂，占用空间大而且成本较高。而本文采用的自适应电压悬浮控制 MOS 管开关阵列的驱动方案具有较低的成本和简单结构，并且还能拓展更多节电池进行均衡控制。
本文采用的开关阵列的拓扑结构图如图 2 所示。B1 到B12 为 12 节串联的电池单体，每个与电池单体一极相连的开关电路中包括两个 NMOS 管 Q、一个稳压二极管 D、一个 NPN 三极管 TD 和两个电阻 R。VH+是 MOS 管的栅极导通电压，应该大于电池组的最大工作电压和 MOS 管的栅源极导通电压之和。NMOS 管 Q 的漏极和源极之间的耐压范围应该大于电池组的最大工作电压，三极管 TD 的集电极与发射极之间的耐压值应该大于 VH+与电池组负极的电压，与三极管基极相连的限流电阻应使三极管工作在饱和态，与 MOS 管栅极相连的充电电阻大约为 0.1 MΩ～5 MΩ，该电阻过大会使开关管导通时间变长，过小会增加功耗，甚至超过稳压二极管的功率，损坏稳压二极管和 MOS 管，应根据 MOS 的栅源极之间的寄生电容合适选取。
本文采用的开关阵列的 MOS 管栅极电压采用自适应电压悬浮控制，能够通过 SW 控制不同电池单体相连的 MOS 管栅极电压。当控制信号 SW 为高电平时，三极管导通，MOS 管栅极的电压被拉低，MOS 管关断。当控制信号 SW 为低电平时，三极管关断，VH+通过充电电阻给 MOS 管的栅极充电，MOS 管导通，此时 MOS 管漏极和源极电压相同，而稳压二极管将 MOS 管栅极的电压钳位到源极加上稳压二极管的导通电压，MOS 管继续导通，而 MOS 管的栅极和源极的电压差又不至于大于栅源极的耐受电压，保护 MOS 管。
本文电池组 12 节电池有 13 个电压节点与之对应，例如电池 B1 的负极节点为 0，正极节点为 1，电池 B2 的正极节点为 2。将对应节点的排列顺序按奇偶连接在一起，然后通过图 2 右边的电压极性选通电路就可以将每个单体的正负极引出去。
该开关阵列中栅极电压 VH+的电压应大于最高电池电压和 MOS 管的导通电压，采用 NE555 生成 PWM 给电容充放电来组成一个电荷泵产生 VH+，电路图如 3 所示。
利用电容不能瞬间改变两端电压的特性，将该芯片的输出脚连接到电容的一端，另外一端接上电池组的正极电源，就组成了电荷泵，将输出端 VH+电压增加给开关阵列中 MOS 源极使用，理想情况下 VH+的电压等于 C12 加上 NE555 的工作电压。
第一节电池负极端所连接的开关阵列的电路原理图如图 4 所示，其中 MOS 管选用的是 SOT-23 封装的 NMOS 管 2N7002，其 VDS 漏极到源极最大耐压值为 60 V，大于 12 节锂电池串联的最大工作电压，VGS 栅极到漏极最大耐压值为±20 V，导通电流 ID 在 VGS 为 5 V 时能够到 1.2 A，同时具有较低的导通阻抗 RDS。稳压二极管 D 选用的是 1206 封装的 LL34，稳压值为 4.7 V。三极管选用的是 TO-92 封装的 2N5551，该三极管的耐压值 VCE 达到 160 V，远远大于 VH+ 与地之间的电压，满足要求。VH+与栅极相连的充电电阻选择和与三极管相连的限流电阻选择 1206 封装的 1 MΩ 和 10 kΩ，充电电阻选择应大一点，减少电荷泵和稳压二极管的负载功率。光耦采用的是亿光公司生产的 EL817 贴片光耦，其导通电流大约为 20 mA，导通压降为 1.2 V，所以选择的限流电阻为 100 Ω。
1.2 隔离 DC/DC 均衡电路
本文隔离 DC/DC 是采用的广州能达电源生产的 18 V～ 72 V 转 12 V 的隔离 DC/DC，将电池组的正负极经过隔离 DC/DC 转换后送给 TP5100 开关降压芯片，降压后经选通的开关阵列给某一电池单体充电。
TP5100 是一款专用的 4.2 V 锂电池充电管理芯片，采用 QFN-16 封装，该降压充电芯片对电池的充电控制分成三个阶段：涓流预充、恒流充电和恒压充电，这种充电模式能够有效延长电池的使用寿命，涓流预充和恒流充电的电流可以通过芯片的外围电路进行设置。外围电路如图 5 所示，V+为 TP5100 输入电压，也是隔离 DC/DC 的输出电压。+4.2 为给开关阵列的输入电压，LED1 和 LED2 为充电状态指示灯。该芯片的恒流充电电流设置是通过设置引脚 VS 和 VBT 之间的电流检测电阻 RS 来恒流充电状态下的充电电流，正常情况下，引脚 VS 与 VBAT 之间的电压为 100 mV，所以该电阻 RS 应该取为：
控制涓流充电电流大小的为引脚 RTRICK，由于本文是用作均衡控制的，所以将该引脚悬空，使预充电流等于恒流充电的电流，使单体电池处于低电压状态时具有较好的均衡能力。
2 PCB 设计
通过加入电压采集模块 LTC6804 和主控芯片 STM32 XET6，在 Altium Designer 18 中绘制出的电路原理图，将电路原件导入对应封装。根据导通电流大小选择合适线宽，在嘉立创打好板子后回来焊接。焊接好，写入程序后的实物图如图 6 所示。
3 实验验证
实验中采用的 12 节锂电池为市场上国产某品牌容量为 1.57 Ah 的 18650 电池。实验中通过上位机串口触摸屏将主动均衡功能打开时，记录均衡电流和单体电压变化数据。每隔 30 min 后停止均衡，等电压稳定后，记录各个单体电压，如图 7 所示。其中均衡电流最大能到 1.18 A，均衡能力较强，单体的最大电压差从 0.49 V 减少到 0.1 V 以内用了 120 min。
4 总结
采用自适应电压悬浮控制的 MOS 管开阵列和隔离单向 DC/DC 均衡电路实现模组对单体电池的均衡，该开关阵列与传统采用电磁继电器和光耦固态继电器相比，具有成本低、导通电阻小、寿命长，而且控制简单。隔离单向 DC/DC 均衡电路采用降压隔离 DC/DC 变压器和专用的锂电池充电管理芯片 TP5100 组成，可以自动对锂电池进行恒流或者恒压充电均衡，恒流充电时，均衡电流可达 1.18 A，均衡能力强，而且不会因为控制不当而造成锂电池过充，能有效延长电池寿命，具有运用价值。——论文作者：刘德锋，谢旭良
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