锂电池欠压浅谈“一种锂电池欠压自动关机保护并可充电激活的电源控制电路”|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

浅谈“一种锂电池欠压自动关机保护并可充电激活的电源控制电路”

当前，锂离子电池因其高比能量、高比功率、高转换率、长寿命、无污染等优点，已成为全球高新技术产业发展的重要方向，并广泛应用于电动汽车和动力储能领域。

锂离子电池按照正极材料不同可分为多种类型，主流的有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂及三元材料等，但这几种锂离子单体电池的额定电压平台都比较低，磷酸铁锂只有3.2Vdc，锰酸锂、钴酸锂和三元材料也只有3.6～3.7Vdc，难以满足设备输入供电电压的要求，实际应用中需要把若干电池进行串联成组，才能达到设备正常工作电压范围。然而，不同于铅酸、镍镉、镍氢等二次电池，锂离子电池必须考虑充、放电时的安全性，以防止其电化学特性失控甚至发生电池烧毁。因此，在使用过程中对锂离子电池进行监控和保护就显得非常重要，杜绝电池过充、过放、过温、过流及短路等故障的发生，从而最终达到提高产品安全性能和延长电池使用寿命的目的。

电池管理系统（BMS）便在这一背景下应运而生，承担起了“电池保姆”或“电池管家”的重要角色。BMS对锂离子电池良好的监控和保护作用建立在BMS稳定可靠的运行之上，而要保证BMS正常工作，必须保证BMS供电输入回路的稳定可靠。在电动汽车领域，BMS的供电电源由低压车载铅酸蓄电池直接提供；但在动力储能领域，BMS的供电电源一般是由单独的DC/DC开关电源模块转换后提供，DC/DC开关电源模块输入端连接到锂电池组的总正母线和总负母线之间，通过直流转换到合适的电源电压平台后再提供给后级BMS使用。

图1为目前动力储能领域高压电气主回路与BMS供电电源的典型电气拓扑结构，高压电气主回路由锂电池组、主正继电器K2、主负继电器K3、预充继电器K1、预充电阻R等高压器件组成，高压上电和下电逻辑由BMS控制，通常使用的高压上电和下电逻辑为：BMS上电后自检，自检成功后闭合主负继电器K3，然后进入预充电流程，先闭合预充继电器K1，当检测到负载端P+、P-预充电压达到锂电池组总压的92%时，再闭合主正继电器K2，并同时断开预充继电器K1，高压上电完成；在锂电池组投入运行过程中，如果BMS检测到极端保护条件（过充、过放、过温、过流、短路）触发时，就要进入高压下电流程，先断开主正继电器K2，再断开主负继电器K3。

图1 动力储能领域高压电气主回路与BMS供电电源的典型电气拓扑结构

图1中虚线框内为BMS的供电电源部分，直接取自高压锂电池组两端，经过DC/DC开关电源模块转换为12Vdc或24 Vdc低压直流电源VCC/GND，并与高压锂电池组电气隔离。

图1所示BMS供电电源的这种电气链接关系存在一个较大的安全隐患：DC/DC开关电源模块的自身功耗和BMS的自身功耗会一直消耗锂电池组的能量，特别是在锂电池组处于待机状态（既不充电也不放电），甚至发生放电欠压保护动作后，锂电池组本身已经处于亏电状态，在这样的情况下，虽然负载端P+、P-已经断开，但DC/DC开关电源模块和BMS还处于工作状态，它们的自身功耗还继续存在，这样势必导致锂电池组进一步亏电和过放电，轻则缩短锂电池组的使用寿命，重则使锂电池组直接报废。

在实际电气搭建和布局拉线时，为了解决这一问题，多数电气工程师一般会在DC/DC开关电源模块输入端串接一个空气开关，在锂电池组投入使用时会手动合闸，使BMS和高压上电；当锂电池组处于亏电状态时手动拉闸，使BMS和高压下电。但这种解决办法需要人工值守，在锂电池组处于亏电状态时，如果不能及时拉闸断电，就有可能导致锂电池组严重过放电而报废，另外，因为BMS已经断开了高压继电器，外部充电装置无法通过充电激活方式对锂电池组恢复充电。

鉴于此，本文要解决的技术问题是提供一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路。

本文在目前所使用的BMS供电电源电气原理图上只增加了6个反流二极管D1～D6、1个自复位手动激活开关K5以及1个供电继电器K4就彻底解决了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的这一安全隐患，详细电路原理如图2所示，该电源控制电路具备三种功能：其一，可以在锂电池组发生放电欠压保护动作后，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电；其二，可以在锂电池组既不充电也不放电的状态下，即持续待机状态达到一定时间时，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电；其三，在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够利用外部充电装置通过充电激活的方式对锂电池组恢复充电；其四，在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够使用自复位手动激活开关通过手动激活的方式使锂电池组投入运行。

因此，本文提出的BMS电源控制电路既克服了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的严重缺陷，又解决了DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后充电自动激活的问题。

图2 本文提出的带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路

在图2所示带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路中，反流二极管D1～D6可选择普通整流二极管或者是肖特基二极管，自复位手动激活开关K5可选择自复位按钮开关或者自复位转换开关，供电继电器K4可选择常开型功率继电器，上述器件要满足过流能力（即DC/DC开关电源模块供电输出功率）和直流耐压值（即达到锂电池组直流总压值以上）的要求，其工作原理和过程描述如下：

一、锂电池组充电自动激活到充电保护动作

（1）充电装置（或来自功率转换系统PCS）合闸上电后，输出直流高压电经P+、反流二极管D3、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D6和P-构成低压充电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电，DC/DC开关电源模块将充电装置输出的直流高压转换为12Vdc或24 Vdc低压直流电源VCC/GND后给BMS供电，BMS被充电激活唤醒；

（2）BMS上电后，进入高压上电和预充电流程，依次闭合各高压继电器，同时闭合供电继电器K4，因为充电装置输出的直流电压高于锂电池组直流总压，充电装置便经P+、主正继电器K2、锂电池组、主负继电器K3和P-构成高压充电回路，对锂电池组进行充电，同时经由P+、反流二极管D3（或主正继电器K2、反流二极管D1及供电继电器K4）、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D6（或经反流二极管D5及主负继电器K3）和P-构成低压充电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电；

（3）在充电过程中，当BMS检测到充电保护条件（过充、过温、过流）触发时，就要进入高压下电流程，依次断开各高压继电器，充电高压回路断开，停止充电，此时BMS的供电将由锂电池组、反流二极管D1、供电继电器K4、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5组成的低压放电回路提供；

（4）锂电池组充电保护动作后将处于不充电也不放电的待机状态，当持续待机状态达到一定时间时，BMS通过预先的软件设定程序控制供电继电器K4断开，切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电，整个电气系统将处于零功耗状态。

二、锂电池组手动激活到放电保护动作

（1）手动按住自复位激活开关K5约3秒钟，锂电池组经反流二极管D2、自复位手动激活开关K5、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5构成低压放电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电，DC/DC开关电源模块将锂电池组直流高压转换为12Vdc或24 Vdc低压直流电源VCC/GND后给BMS供电，BMS被手动激活唤醒；

（2）BMS上电后，进入高压上电和预充电流程，依次闭合各高压继电器，同时闭合供电继电器K4，此时自复位手动激活开关K5已经释放，经自复位手动激活开关K5的低压放电回路已经断开，代替的是锂电池组经反流二极管D1、供电继电器K4（或经主正继电器K2和反流二极管D3）、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5（或经反流二极管D6和主负继电器K3）构成低压放电回路，继续对DC/DC开关电源模块进行供电；

（3）在放电过程中，当BMS检测到放电保护条件（过放、过温、过流、短路）触发时，就要进入高压下电流程，依次断开各高压继电器，放电高压回路断开，停止放电，此时BMS的供电将由锂电池组、反流二极管D1、供电继电器K4、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5组成的低压放电回路提供；

（4）如果锂电池组放电保护动作是由电池过放即电池欠压保护所引起的，放电高压回路断开后，等待BMS保存完数据，BMS就立即控制供电继电器K4断开；如果锂电池组放电保护动作是由过温、过流、短路保护所引起的，放电高压回路断开后，锂电池组将处于不充电也不放电的待机状态，当持续待机状态达到一定时间时，BMS通过预先的软件设定程序控制供电继电器K4断开。供电继电器K4断开即切断了DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电，整个电气系统将处于零功耗状态。

综上，本文针对目前动力储能领域BMS供电电源结构中存在的重大缺陷，提供了一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路，既克服了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的弊端，又解决了DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后充电自动激活的问题，具有较大的实用价值。