有关锂电池组保护板均衡充电基本工作原理了解
电动车充电器的有关知识
充电器的分类：用有、无工频（
50
赫兹）变压器区分，可分为两大类。货运三轮充电器一
般使用带工频变压器的充电机，体积大、重量大，费电，但是可靠，便宜；电动自行车和电
摩则使用所谓开关电源式充电器，省电，效率高，但是易坏。
开关电源式充电器的正确操作是：
充电时，
先插电池，
后加市电；
充足后，
先切断市电，
后拔电池插头。如果在充电时先拔电池插头，特别是充电电流大（红灯）时，非常容易损坏
充电器。
常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类，
单激类又分为正激式和反激式
两类。半桥式成本高，性能好，常用于带负脉冲的充电器；单激式成本低，市场占有率高。
关于负脉冲充电器
铅酸电池已经有
100
多年的历史了，
开始全球普遍沿引老的观点和操作规程：
充、
放
电率为
0.1C(C
是电池容量
)
寿命较长。
美国人麦斯先生为解决快速充电问题，
1967
年向全世
界公布了他的研究成果，用大于
1C
率脉冲电流充电，充电间歇时对电池放电。放电有利于
消除极化、降低电解液温度、提高极板接受电荷的能力。
我国一些科技工作者在
1969
年前后，根据麦斯先生的三定律制作成功了多种品牌的
快速充电机。
充电循环过程是：
大电流脉冲充电→切断充电通路→对电池短暂放电→停止放
电→接通充电通路→大电流脉冲充电„„
2000
年前后，有人将这一原理用到了电动车充电器中，充电过程中，不切断充电通
路，用小电阻将电池短路瞬间，
进行放电。短路时由于不切断充电通路，在充电通路中串连
了电感。一般在
1
秒内短路
3
－
5
毫秒（
1
秒＝
1000
毫秒）
，由于电感里的电流不能跳变，
短
路时间短促，
可以保护充电器的电源转换部分。
如果把充电电流方向叫正，
放电自然为负了，
电动车业就出现了名词“负脉冲充电器”
，而且称可以延长电池寿命等等。
关于三段式充电器
近几年，
电动车普遍使用了所谓三段式充电器，
第一个阶段叫恒流阶段，
第二个阶段
叫恒压阶段，
第三个阶段叫涓流阶段。
从电子技术角度针对电池而言：
第一个阶段叫充电限
流阶段，
第二个阶段叫高恒压阶段，
第三个阶段叫低恒压阶段比较贴切。
第二阶段和第三阶
段转换时，面板指示灯相应变换，大多数充电器第一、二阶段是红灯，第三阶段变绿灯。第
二阶段和第三阶段的相互转换是由充电电流决定的，
大于某电流进入第一第二阶段，
小于某
电流进入第三阶段。这个电流叫转换电流，也叫转折电流。
早期充电器，
包括名牌车配套的充电器，虽然也变灯，
但实际是恒压限流充电器，并
不是三阶段充电器。一般这类就一个稳定电压值，
44.2V
左右，对当时的高比重硫酸的电池
还凑合。
关于三段式充电器的三个关键参数
第一个重要参数是涓流阶段的低恒压值，
第二个重要参数是第二阶段的高恒压值，
第
三个重要参数是转换电流。这三个重要参数与电池数目有关，与电池的容量
Ah
有关，与温
度有关，与电池种类有关。为了方便大家记忆，下面以最常见的电动自行车（三块
12V
串
联的
10Ah
电池）所用的三段式充电器为例简单介绍一下：
首先讨论涓流阶段的低恒压值，
参考电压为
42.5V
左右。
此值高将使电池失水，
容易
使电池发热变形；此值低不利于电池充足电。此值在南方要低于
41.5V
；胶体电池要低于
41.5V
，如在南方还要低一点儿。这个参数是相对严格的，不可以大于参考值。
其次讨论第二阶段的高恒压值，参考电压为
44.5V
左右。此值高有利于快速充足电，
但是容易使电池失水，
充电后期电流下不来，
结果使电池发热变形；
此值低不利于电池快速
充足电，有利于向涓流阶段转换。这个值虽然没有第一个值那样严格，但是也不要过高。
最后讨论转换电流，
参考电流为
300
毫安左右。
此值高有利于电池寿命，
不容易发热
本文介绍的是有关锂电池组保护板均衡充电基本工作原理，在采用单节锂电池保护芯片设计的且具备均衡充电能力的锂电池组保护板，示意图如图1所示。
其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3 为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分；6为单节锂电池保护芯片(一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO，放电过电流及短路检测引脚VM，电池正端VDD，电池负端VSS等)；7为充电过电压保护信号经光耦隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极；8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极；9为充电控制开关器件；10为放电控制开关器件；11为控制电路；12为主电路；13为分流放电支路。单节锂电池保护芯片数目依据锂电池组电池数目确定，串联使用，分别对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状态进行保护。该系统在充电保护的同时，通过保护芯片控制分流放电支路开关器件的通断实现均衡充电，该方案有别于传统的在充电器端实现均衡充电的做法，降低了锂电池组充电器设计应用的成本。
图1 具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图
当锂电池组充电时，外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1～N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。
图2 充电过程
系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压；如某一节或几节锂电池在充电过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端的分流放电支路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。
锂电池组串联充电时，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成，进入过电压保护状态，则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。
图3 分流均衡过程
当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节锂电池N～1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压;一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节锂电池放电保护控制信号变低，无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即结束放电使用过程。
图4 放电过程
一般锂电池采用恒流-恒压(TAPER)型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。
控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。
单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择，如果太小，均衡效果不明显；如果太大，系统的能量损耗大，均衡效率低，对锂电池组热管理要求高，一般电流大小可设计在50～100mA之间。
分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻偏差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。
