Design method of equalization charging of lithium ion battery pack protection plate

Авторы: Iflowpower –Портативті электр станциясының жеткізушісі

Аннотация: Бұл қағазда қуат алатын литий-иондық батареялар тобы қолданылады. Барлық литий-иондық аккумуляторлар шамадан тыс кернеуді зарядтауды, кернеу астында разрядты, асқын токты, қысқа тұйықталудан қорғауды және зарядтау кезінде қондырғының теңдестірілген зарядталуын толықтыруды қажет етеді. Бір реттік зарядтау функциясы бар аккумуляторлар жинағын қорғау панельдерін қорғауға арналған дизайн әдісін бір рет шешіңіз. литий-ионды батареялардың кез келген сериясына арналған литий-ионды батареяның қорғаныс чипі. Нәтижелерді модельдеу және өнеркәсіптік өңдеуден кейін қорғаныс тақтасы мінсіз, жұмыс тұрақты және шығындар өнімділігі жоғары.

0 Кіріспе Теңгерімді зарядтаудың жалпы әдістеріне тұрақты шунт кедергісін теңестіру, өшіру шунтінің кедергісін теңестіру, біркелкі аккумулятор кернеуін теңестіру зарядтау, коммутациялық сыйымдылықты теңестіру зарядтау, конвертерді теңестіру зарядтау, индуктивтілікті теңестіру зарядтау және т.б. кіреді. Топтағы литий-иондық батарея зарядталғанда. серияда ол әрбір батареяның теңгерімді болуын қамтамасыз етуі керек, әйтпесе ол пайдалану кезінде батареялардың бүкіл жиынтығының өнімділігі мен қызмет ету мерзіміне әсер етеді. Қолданыстағы бір ұялы литий-ионды аккумулятордың қорғаныс чипінде теңестіру зарядтауды басқару функциялары жоқ, көп сегментті литий-ионды аккумулятордың қорғаныс чипін теңестіруді зарядтауды басқару функциялары сыртқы CPU болуы; қорғаныс микросхемалары арқылы сериялық байланыс (мысалы, I2C шинасы) арқылы, Қорғаныс тізбектерінің күрделілігі мен дизайн қиындықтарын арттырды, жүйенің тиімділігі мен сенімділігін төмендетеді, қуат тұтынуды қосады.

Бұл мақалада қуатты литий-ионды аккумуляторды пайдалану үшін әрбір литий-ионды аккумуляторды зарядтау шамадан тыс кернеуді, кернеу астында разрядты, асқын токты, қысқа тұйықталудан қорғауды және зарядтау, пайдалануды талдау кезінде бүкіл топтың теңгерімді зарядтау мәселесі қажет. Литий-ионды батареяларды қорғау микросхемаларының ерікті сериялары үшін теңестірілген зарядтау функциясы бар аккумуляторлық қорапты қорғау панельдерін жобалау әдісі. Модельдеу нәтижелері және өнеркәсіптік өңдеуді пайдалану сертификаты, қорғаныс пластинасының қорғанысы мінсіз, тұрақты, үнемді, теңдестірілген зарядтау қатесі 50MV.1-ден аз литий-иондық аккумулятор жинағы қорғаныш пластинасын теңестіру зарядтау принципі құрылымы бір ұялы литий-ионды батареяны қорғау чипінің дизайны болып табылады. тепе-теңдік Литий-ионды батареялар жинағын қорғау тақтасының құрылымы блок диаграммасы төмендегі 1-суретте көрсетілген.

1-сурет Литий-ионды аккумулятор жинағының қорғаныс тақтасының диаграммасы 4, мұнда: 1 - жалғыз литий-ионды батарея; 2 - зарядтың асқын кернеуінің шунт разрядының тармағы; 3 – шунтты разряд тармақтарын басқару коммутациялық құрылғысы; 4 - шектен тыс токтың сынақтан қорғау кедергісі; 5 - литий-ионды батареяны қорғау чипі және тізбекті қосу бөлігі көрсетілмеген; 6 - жалғыз литий-ионды батареяны қорғау чипі (әдетте зарядтауды басқару істікшесі Co, разрядты басқару істікшесі DO, разрядтың шамадан тыс тогы, қысқа тұйықталу сынағы істікшелі VM, аккумулятордың оң соңы VDD, батарея теріс VSS және т.б. кіреді); 7 - фотобайланыстырғыш оқшауланғаннан кейін зарядтаудан асқын кернеуден қорғау сигналы орындалғаннан кейін негізгі тізбектегі зарядтауды басқаруға арналған MOS түтік қақпасы; 8 - кернеу астында разряд, асқын ток және қысқа тұйықталудан қорғау сигналы Оптоэлементтерді оқшаулаудан кейін негізгі тізбекте сериялық қатынас қалыптасады, ал MOS құбырының қақпасы негізгі тізбекте қолданылады; 9 - зарядтауды басқару коммутациялық құрылғысы; 10 - разрядты реттейтін қосқыш құрылғы; 11 басқару тізбегі; 12 - бастапқы тізбек; 13 шунтты разряд тармағы болып табылады. Бір ұялы литий-ионды аккумулятордың қорғаныс микросхемаларының саны сериядағы литий-ионды аккумулятор ұяшықтарының санына сәйкес сәйкес бір ұялы литий-ионды аккумулятордың заряды мен разряды, шамадан тыс ток және қысқа тұйықталу күйін анықтайды. , тиісінше.

Зарядтаудан қорғау кезінде жүйе қорғаныс чиптерін басқару шунтінің разряд тармағының коммутациялық құрылғыларымен зарядталады, бұл зарядтағыштың соңында теңдестірілген зарядтаудың әдеттегі тәжірибесінен ерекшеленеді және литий-ионды аккумуляторлық зарядтағышты азайтады. Дизайн құны. 2 Аппараттық дизайн 2.

1 Зарядтау тізбегі Литий-иондық аккумулятор жинағы зарядталған кезде, сыртқы қуат көзі оң және теріс электрод батарея жинағына оң және BAT-соңына қосылған, зарядтау тогы оң батарея жинағы арқылы өтеді BAT +, бір ұялы батарея жинағы иондық аккумулятор 1 ~ N, разрядты басқару коммутациялық құрылғысы, зарядтауды басқару қосқышы құрылғысы, батарея жинағы теріс BAT-, ток ағыны 2-суретке сәйкес. 2-сурет Литий-иондық аккумуляторлық батареялар жинағын зарядтау схемасын басқару тізбегі ішінара бір литий-ионды батареяны қорғау чипі параллель қолданылады латексті оқшаулаудан кейін және бастапқы тізбектегі зарядтау қосқышы құрылғысының қоректендіргіш кернеуі болып табылады; Егер зарядтау процесінде белгілі бір немесе бірнеше литий-ионды аккумуляторлар асқын кернеуден қорғау күйіне енсе, бір сатылы литий-ионды аккумулятордың оң және теріс электродының тармақты түрлендіру тармағында асқын кернеуден қорғау сигналы параллель түрде басқарылады және тізбектей қосылған Зарядтау тізбегіндегі сәйкес мономерлі литий-иондық батарея зарядтау тізбегінен ажыратылған. 2.

2 Негізгі тізбек және шунтты разряд тармағы литий-ионды аккумулятор жинағы сериясы, бір батарея сыйымдылығының айырмашылығының әсерін елемеңіз және ішкі кедергісі аз батарея жақсы. Бұл кезде сәйкес асқын кернеуден қорғау сигналы шунттаушы разряд тармағының коммутациялық құрылғысымен басқарылады және бастапқы аккумулятордың екі ұшында бір шунттаушы резистор параллель қосылған. Аккумулятордың PNGV эквивалентті схемасының үлгісіне сәйкес, бөлінген тармақтың кедергісінің әртүрлілігі ол зарядсыздандыратын негізгі жалғыз литий-ионды аккумулятордың жүктемесіне тең және батареяның соңғы кернеуі өте аз диапазонда сақталады. сыртқы күйге жақын.

1-ші, литий-ионды аккумулятор бірінші зарядталған деп есептей отырып, асқын кернеуден қорғау күйіне еніңіз, содан кейін негізгі тізбек және ток ағыны тармақ 3-суретке қарай ағып кетеді. Барлық жалғыз ұяшықтар асқын кернеуден қорғау күйіне зарядталғанда, барлық жалғыз литий иондық аккумулятордың кернеулері қателік диапазонында толығымен тең, және әрбір секцияның қорғаныс микросхемасының басқару сигналдары төмендейді және негізгі тізбекте зарядтауды басқару қосқышы бола алмайды. Құрылғының қоректену қақпасының қисаюы оны өшіреді, негізгі тізбек ажыратылады, яғни қуаттан тыс зарядтау, зарядтау процесі аяқталды.

3-сурет Бастапқы тізбек пен шунтты разряд тармағының жалғыз аккумуляторы арасындағы разряд тармағының кедергісін литий-иондық аккумулятор зарядтағышының зарядтау кернеуінің өлшеміне және литий-ионды аккумулятордың өлшеміне және разрядтық токтың шамасына сәйкес есептеуге болады. Теңгерілген ток ақылға қонымды болуы керек, егер ол тым аз болса, теңестіру әсері анық емес; егер ол тым үлкен болса, жүйенің энергия жоғалуы үлкен, теңгерім тиімділігі төмен және литий-ионды батареяға арналған жылуды басқару талаптары жоғары және жалпы ток 50 мен 100 мА арасында жобалануы мүмкін. 2.

3 Зарядтау тізбегі Батарея жинағы зарядсызданған кезде, сыртқы жүктеме аккумулятор жинағына оң BAT + және BAT-соңына қосылады, ал разряд тогы ағыны теріс BAT-, зарядтауды басқару қосқышы құрылғысы, разрядты басқару құрылғысы арқылы өтеді. ауыстырып-қосқыш құрылғысы, батарея жинағы литий-ионды батарея N ~ 1 және батарея жинағы оң BAT +, ток ағыны 4-суретке сәйкес. Бір ұялы литий-ионды аккумулятордың қорғаныс чипінің разрядты үзілген электр қорғанысы, шамадан тыс ток және қысқа тұйықталудан қорғауды басқару сигналдары оптикалық муфтадан кейін тізбектей жалғанған, және негізгі тізбектегі разрядты ажыратқыш құрылғының қоректену қақпасының кернеуі; Бір рет батарея зарядсыздану процесінде артық кернеу немесе шамадан тыс ток және қысқа тұйықталудың ерекше жағдайы бар және сәйкес бір ұялы литий-иондық аккумуляторды разрядтан қорғауды басқару сигналы төмен және қақпаны жеткізу үшін қақпа қол жетімді емес электр тізбегі. Қиындық оны өшіруге мәжбүр етеді, негізгі тізбек ажыратылады, яғни разряд процесін аяқтайды.

4-сурет Батарея жинағының разряд тізбегі Тұрақты ток-тұрақты кернеу (TAPER) зарядты басқару, тұрақты кернеуді зарядтау, төмендетілген зарядтау тоғының жуықтау индексінің заңдылығы бар жалпы литий-ионды батарея. Жүйедегі зарядтау және разряд негізгі тізбегінің коммутациялық құрылғысы сыртқы тізбектің максималды жұмыс тогы мен жұмыс кернеуін таңдаумен қанағаттандырылуы мүмкін. Басқару тізбегінің бір мерзімді литий-ионды батареяны қорғау чипі қорғалатын бір ұялы литий-ионды батареяның кернеу деңгейіне сәйкес таңдалуы мүмкін.

Тарату разряд тармағының кедергісі қуат кедергісі немесе қарсылық желісі арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Мұнда қарсылық желісі шунтты разряд тармағының кедергісін жүзеге асыру үшін қолданылады. Ол қарсылық ауытқуының әсерін тиімді түрде жоя алады.

Сонымен қатар, ол жылу энергиясын тұтынуды азайта алады. 3 Тепе-теңдік зарядтаушы қорғаныс схемасын модельдеу Жоғарыда көрсетілген тепе-теңдік зарядтаудан қорғағыш схеманың негізгі принципіне сәйкес жүйенің модельдеу моделі MATLAB / SIMULINK ортасында және литий-ионды батареялар пакеттерін зарядтау кезінде қорғаныс тақтасын қорғау жағдайы, жобалау әдісін тексеру. Мүмкіндік.

Қарапайымдылық үшін литий-ионды батареялар жинағы 5-суретте көрсетілгендей тек 2 сегментті ионды батареямен беріледі. 52-сурет Литий-ионды батареяның тандемінің бөлімі, бір ұялы литий-ионды батареяны ауыстырыңыз, модельдеңіз. батареяны зарядтау және зарядсыздандыру. Суретте.

5, RS - сериялы батареялар жинағының аккумулятордың жалпы ішкі кедергісі, ал RL - жүктеме резисторы, ал Rd - шунтты разряд тармағының кедергісі. Жалғыз литий-ионды батареяны қорғау чипі S28241 ішкі жүйеге инкапсулирленген, ол қысқа болған кезде жалпы үлгіні жасайды. Тығыз логикалық жұмыс модульдері, символдық функция модульдері, бір өлшемді тексеру модулі, интегралдық модуль, кідірту модулі, коммутатор модулі, математикалық жұмыс модулі және т.б. үшін қорғаныс микросхемасының ішкі жүйесі үлгілері.

қорғау әрекетінің уақытын және логикасын имитациялау. Модельдеу ортасы мен шынайы схема арасында белгілі бір айырмашылық болғандықтан, сүзгілеуге болмайды және күшті әлсіз электрлік оқшаулау, ал артық модульдер модельдеу уақытының ұзақтығына оңай әкелуі мүмкін. Сондықтан нақты модельдеу процесінде сұлба сүзгіден, оптикалық оқшаулаудан, деңгейді кондициялаудан және басқа тізбектерден жойылады және үлкен ток шунттауға арналған қарсылық желісі бір кедергіге ауыстырылады және модельдеу жүйесінің күрделілігі төмендейді.

Толық жүйе модельдеу моделін құру кезінде әртүрлі модульдердің кіріс шығыс деректеріне назар аудару керек және сигнал түрінің айырмашылығы болуы мүмкін. Егер модульдің қосылу реті дұрыс реттелмесе, деректер түрі түрлендіріледі және күшті сигналды жүзеге асыру үшін модельде кернеуді тексеру модулі қолданылады. Түрлендіру қосылымы мәселесі.

Модельдеу үлгісіндегі басқарылатын кернеу көзінің берілген сигналы аккумуляторды зарядтау және разрядтаудағы айырмашылықты көрсету үшін толқын пішінінің алғышарттарында шағын айырмашылыққа ие болуы мүмкін. 6-суретте аккумуляторлар жинағындағы артық ток күшейткіш тармағын пайдалану әдісі берілген, одан артық ток разряд тізбегін пайдалану әдісі бар екенін көруге болады. 6-сурет Литий-иондық аккумулятордың кернеуін сынау сынағының имитациясының нәтижелері 4 Жүйені сынауды қайта құру Брендтік электрлік велосипед плюс зауыт сұранысына жауап ретінде дизайн біріктірілген, 10 сериялы 36V8A · H марганец қышқылының литий-иондық аккумулятор жинағы қорғаныс тақтасының 2 тобына қол жеткізді. оларда бір ұялы литий-ионды батареяның қорғаныс чипі жапондық Seiko S28241 пайдаланады, қорғаныс тақтасы негізгі схемадан, басқару тізбегінен, шунтты разрядтық тармақтан, сүзгіден, оптикалық қосқышты оқшаулаудан және деңгейді кондиционерлеу тізбегінен және т.б.

, оның негізгі құрылымы көрсетілген 7. Разряд тармақтарының тогы 800мА-дан таңдалады, ал 510Ом резистор тізбегі параллель қосылған. 7-сурет Литий-ионды аккумуляторлар жинағын қорғау тақтасын реттеу бойынша жөндеу жұмыстары кернеуді анықтау және токты анықтау екі бөлікке бөлінеді.

Кернеуді анықтау зарядтау өнімділігін тексеру асқын кернеуді, негізгі зарядты, екі қадамдық кернеу астында разряд өнімділігін тексеруді қамтиды. Нақты батарея жинағының орнына батареяның аналогтық қуат көзін пайдалануды таңдауға болады. Көп ұялы батареяның арқасында зонд құнын анықтау әдісі жоғарырақ.

Оны сәнді аккумулятор жинағында да анықтауға болады. Батарея жинағы айналымы зарядталған және зарядсызданған кезде, қорғаныс құрылғысы қалыпты емес, әрбір аккумулятордың нақты уақыттағы кернеуін жазып алыңыз және артық зарядтан қорғауды жазу кезінде теңестіру зарядының өнімділігін анықтаңыз. Бірақ бұл әдіс ұзақ уақыт жұмсайды.

Батарея жинағы зарядталғанда, 3-биттік жарты дәлдіктегі вольтметр 10 батареяның зарядтау кернеуін бақылау үшін пайдаланылады. Әрбір аккумулятор қалыпты жұмыс кернеуінің диапазонында екенін көруге болады, ал мономерлер арасындағы айырмашылық аз, зарядтау кезінде Кернеудің ауытқуы 100мВ-тан аз, толық зарядтау кернеуі 4,2В, кернеудің ауытқуы 50мВ-тан аз.

Ағымды анықтау бөлігіне шамадан тыс ток сынағы және қысқа тұйықталу сынағы кіреді. Артық ток сынағы резистор жүктемесіне және қуат көзіне кері тізбекте қосылуы мүмкін, жүктемені баяу азайтыңыз, ток толып кету мәніне дейін өскенде, ағымдағы кесте ағынды көрсетпейді. Қысқа тұйықталу сынағы тікелей болуы мүмкін және қысқа жалғанған батарея жинағы ағымдағы кесте күйін бақылау үшін теріс электрод болып табылады.

Құрылғының бүтіндігін, тізбекті дәнекерлеудің дұрыстығын анықтау шартында, оны қорғаныс пластинасындағы қуат көзі индикаторының күйі арқылы да разрядтауға болады. Нақты пайдалану кезінде сыртқы кедергі аккумулятордың кернеуінің тұрақсыздығын тудыруы мүмкін деп есептеледі, бұл кернеудің өте қысқа мерзімді асқын немесе төмен кернеуін тудырады, нәтижесінде батареяны қорғау тізбегі қатесін анықтайды, сондықтан қорғаныс чипі сәйкес кідіріспен жабдықталған. Логика, қажет болған жағдайда, протекторға кідірту тізбегін қосыңыз, ол тізбек қателерінің дұрыс жұмыс істемеу мүмкіндігін тудыратын сыртқы кедергілерді тиімді азайтады.

Батарея жинағы жұмыс істемейтіндіктен, қорғаныс тақтасындағы коммутациялық құрылғылар өшірулі күйде, сондықтан статикалық жоғалту 0-ге жуық. Жүйе жұмыс істеп тұрғанда, бұл негізгі тізбектегі екі MOS түтігінде ойластырылған негізгі тізбек. тізбек. Зарядтау күйі кезінде Теңестіру тізбегі жұмыс істеп тұрғанда, шунт тармағындағы электр кедергісінің жылу жоғалуы үлкен, бірақ уақыт қысқа және жалпы динамикалық жоғалту аккумулятор жинағының мерзімді деңгейінде болады.

Анықталған, қорғаныс тізбегінің дизайны сериялық литий-иондық аккумулятор жинағын қорғауды қамтамасыз ете алады, қорғаныс толық, сенімді түрде шамадан тыс зарядтауға, шамадан тыс зарядсыздандыруға және теңестіру зарядтау функциясына қол жеткізуге болады. Қолданылуына сәйкес, қорғаныс чипінің моделін және сериясын өзгерткеннен кейін, коммутациялық құрылғының қуат деңгейін және энергияны тұтыну элементін, кез келген құрылымның қуатты литий-иондық аккумулятор жинағына және кернеу деңгейіне қол жеткізуге болады. Егер FS361A бір секциялы литий-ионды аккумулятордың қорғаныс чипі Фудзинмен бірге пайдаланылса, 3 топ біріктірілген, 12 жолды фосфатты-иондық аккумулятор пакетін қорғау тақтасының дизайны және т.б.

Түпкі әртүрлі өнеркәсіп өнімдерінің бағасы қолайлы, ал өнімдер 3 жылдық нарықтық тексерумен жөнделмейді. 5 Қорытындылар Бұл құжат қажетті асқын кернеуден, төмен кернеуден, асқын токтан және қысқа тұйықталудан қорғауды аяқтаумен қатар, сериялы көп сегментті литий-ионды аккумуляторға қол жеткізу үшін бір литий-ионды батареяны қорғау чипінің дизайнын пайдаланады. теңестіру заряды. Функция.

Модельдеу және эксперименттік нәтижелер тәсілдің орындылығын, ал нарықтық пайдалану дизайнның тұрақтылығын тексереді.