防止電池爆炸的電池保護板

鋰電池具有高電壓的電池單體、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但正是因為鋰電池的能量密度比較高，當發(fā)生誤用或濫用時，將會引起安全事故。而電池保護板能夠解決這一問題。當電池處在充電過壓或者是放電欠壓的情況下，電池保護板能夠自動切斷充放電回路，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很小的范圍內。此外，還具有過溫、過流、剩余電量估測等功能。

電池保護板系統硬件構成:MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊。

1、電池保護板的MCU模塊

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

(1)8MHz內部總線頻率；(2)16KB的內置FLASH存儲器；(3)2個16位定時器接口模塊；(4)支持1MHz～8MHz晶振的時鐘發(fā)生器；(5)增強型串行通信接口(ESCI)模塊。

2、電池保護板的檢測模塊

檢測模塊中將對電壓檢測、電流檢測和溫度檢測模塊分別進行介紹。

（1）電壓檢測模塊

本系統中，單片機將對電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進行檢測。對于電池組整體電壓的檢測有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過程比較復雜。所以采用分壓的電路進行檢測。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?贅的電阻進行分壓，采集出來的電壓信號的變化范圍是2V～3V，所對應的AD轉換結果為409和*。

對于單體電池的檢測，主要采用飛電容技術。

（2）電流采樣電路

電流采樣時，電池管理系統中的參數是電池過流保護的重要依據。本系統中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時，用康銅絲對電流信號進行檢測，將檢測到的電壓信號經過差模放大器的放大，變?yōu)?～5V的電壓信號送至單片機。如果放電的電流過大，單片機檢測到的電壓信號比較大，就會驅動三極管動作，改變MOS管柵極電壓，關斷放電的回路。比如，對于36V的錳酸鋰電池來說，設定其保護電流是60A?？点~絲的電阻是5mΩ左右。當電流達到60A時，康銅絲的電壓達300mV左右。為提高精度，將電壓通過放大器放大10倍送至單片機檢測。

（3）溫度檢測

電池組在充、放電過程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來，這部分熱量不及時排除會引起電池組過熱。如果單個鎳氫電池溫度超過55℃，電池特性就會變質，電池組充、放電平衡就會被打破，繼而導致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對電池組溫度進行實時監(jiān)測并進行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，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表示：

3、電池保護板的均衡模塊

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。在本系統中，需要較多的I/O口驅動開關管，而單片機的I/O口有限，所以采取整充轉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關，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開關。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。剛開始Q4導通，Q2、Q3、Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當檢測到某一節(jié)電池的電壓達到額定電壓4.2V以后，電壓檢測芯片發(fā)出驅動信號，關閉Q4，打開Q2、Q3、Q5，整個系統進入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經測試，電壓差值不會超過50mV。

2SOC電量檢測

在鋰離子電池管理系統中，常用的SOC計算方法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法。

(1)開路電壓法是最簡單的測量方法，主要根據電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應關系。

(2)庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流，將電流值與時間值的乘積進行積分后計算得到電池充進的電量和放出的電量，并以此來估計SOC的值。

(3)阻抗測量法是利用電池的內阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關系，通過測出電池的電壓、電流參數計算出電池的內阻，從而得到SOC的估計值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數是密切相關的。通過設置一個相關表，輸入電壓、電流、溫度等參數就可以查詢得到電池的剩余容量值。

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