一種多電池包并聯技術的研究

王賢江，胡振營，石玉

(1.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳518067；2.電子科技大學微電子與固件電子學院，四川成都610054)

一種多電池包并聯技術的研究

王賢江1，2，胡振營1，石玉2

(1.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，廣東深圳518067；2.電子科技大學微電子與固件電子學院，四川成都610054)

在電池應用系統中為了提高電池的容量以及可靠性采用多個電池包進行并聯，從理論上來講兩個源是不能并聯的。實際應用中為了實現各個電池包之間的相互獨立采用了二極管與電池包串聯來實現隔離，但是此隔離二極管會造成一定程度地功率損失。為了降低多電池包并聯采用二極管隔離所帶來的功率損失，結合同步整流技術在開關電源中的應用，并結合其控制原理采用MOS管來代替二極管并通過相應的控制電路來控制MOS管的導通與關斷，從而達到與二極管隔離同樣的效果。與此同時，由于MOS管具有極低的導通電阻從而降低了隔離這個部分的損耗。仿真與實驗結果均證明了此設計方案的正確性與可行性。

二極管隔離；同步整流；電池包并聯；MOS管

隨著人類對科技的應用，特別是對移動電子設施/設備性能的大力需求，電動汽車(特斯拉ModelS、BYD E6等)、電動摩托車這些設備對電池容量的巨大需求是單一的電池包難以處理的，這就不得不進行電池包的并聯使用。有采用將多個電池包內阻配對直接進行并聯的，隨著使用時間的推移，這樣會出現電池包之間相互充電的情況，而且當一個電池包損壞時將導致整個電池包損壞。另一種更為妥當的方式是采用在每一個電池包中串聯一個二極管后，再進行并聯。這樣可以防止電池包之間相互充電，而且可以實現并聯電池包之間的有效隔離，如圖1(a)所示。由于二極管在導通過程中存在一定的導通壓降，且其壓降隨著導通電流的上升呈上升趨勢，如圖1(b)所示。

其功率損耗如式(1)所示，其中Pd為二極管所損失功率，Ud為二極管正向導通壓降，Id為二極管流過的正向電流。

這必然導致電池能量的浪費，而且會產生大量的熱量。在大容量應用系統中，這部分的能量損失是相當巨大的。

為了降低這個部分的功率損失，即二極管實現電池包隔離所帶來的功率損失問題。本文通過對開關電源技術中同步整流的需求及其技術原理出發，通過對一些經典的同步整流控制芯片(如IR11662)的控制模式進行分析，總結其控制過程以及算法。并根據這些理論結合多電池包并聯技術中二極管的應用，將開關電源中同步整流的控制技術整合到多電池包并聯電路中。通過使用MOS管以達到更低的導通壓降從而降低傳統二極管隔離所帶來的功率損失，提高了電池的利用率，最后通過仿真與實驗證明本文提出理論的合理性和正確性。

1 多電池包并聯電路的理論分析與實現方案

1.1 理論分析

在開關電源中為了降低次級側整流二極管導通壓降從而提高整個變換器的轉換效率[1]，引入了使用MOS管來代替二極管的同步整流思想。同步整流技術利用MOSFET極低的導通電阻來降低整流部分二極管的導通壓降，從而很大程度上降低了整流部分的損耗。因此提高了開關電源的轉換效率。其功率損失如式(2)所示，其中PQ為MOS管的功率損耗，UQ為MOS管的正向導通壓降，IQ為MOS管的正向電流，RON為MOS管的導通電阻。從式(2)可見，MOS管的導通電阻越小其功率損失越低。

圖1 多電池包并聯時采用二極管進行隔離

在多電池包并聯系統中二極管隔離面臨著與開關電源中同樣的問題，即二極管極高的導通壓降降低了效率。通過對相關文獻的查閱，幾乎很多的同步整流控制芯片都是使用NMOS來進行同步整流，并將NMOS放于接地端，這樣便于對NMOS管進行驅動。如IR公司的同步整流芯片IR11662，其具體應用電路如圖2(a)所示。工作于反激模式下的高頻變壓器初級開關管關閉時，高頻變壓器次級側將產生正向電壓，此電壓通過負載與Q1形成電流回路，當電流流過Q1的體二極管時必將產生一個電壓。結合IR11662的工作時序如圖2(b)所示，如果產生的電壓降小于VTH2將開啟NMOS管Q1，為了防止出現誤觸發加入了一個延時確認時間MOT。如果負載電流較小時，在NMOS管導通電阻上產生的電壓也將降低，如果此電壓值大于VTH1時，NMOS管將關閉。

當高頻變壓器初級側開關打開時，高頻變壓器次級側將產生反向電壓，如果此反向電壓值大于VTH3將對整個控制進行復位，以進行下一個周期的判定。

圖2 同步整流控制芯片IR11662

1.2 實現方案

結合上述同步整流的設計思想，使用NMOS管來進行控制，由于驅動方面的原因將NMOS管串接在電源的負載與系統的輸出地之間。結合圖1所示的電池并聯系統，我們要對電池進行充電，而在開關電源的同步整流中不需要對變壓器次級進行充電處理。所以從傳統的多電池組并聯系統來分析[2－3]，我們應該把開關管串接在電源的正極與系統的輸出正之間以代替二極管進行工作，NMOS管會涉及到驅動部分的問題，為了避免這個問題選用PMOS管來進行處理。可是市面上沒有針對PMOS管而專門設計的同步整流芯片，而且電池并聯系統的工作原理與開關電源中的同步整流還是存在一定的區別。鑒于此，我們結合實際情況設計了一套控制電路，電路框圖如圖3(a)所示。

圖3(a)中電池包BT1通過開關管與系統總線電源VCCBus相連，系統電源從系統總線電源VCC-Bus獲取電能為驅動部分及控制系統部分控制所需要的電壓。如果直接對PMOS管的D、S兩端進行采樣，輕載時開關管關閉時會采樣到0.7 V左右的電壓值，會打開開關管，采樣值會降得相當低，又會關閉開關管，反復循環從而引發振蕩。為了保證較好的線性度，使用小阻值功率電阻對輸出電流進行采樣，放大一定的倍數后送到控制系統進行處理。控制系統通過對采樣得到的電流值進行判定從而決定輸出高、低電平，并通過驅動來控制開關管的開啟與關閉[4]。其控制原理如圖3(b)所示。

圖3 多電池并聯電路

具體程序控制流程圖如圖4(a)所示，當輸出電流大于Io2時開啟開關管，當輸出電流小于Io1時關閉開關管，通過體二極管向系統總線供電。避免開關管開啟出現電池之間的相互充電從而浪費電能[5]。為了防止出現開關信號的跳動從而引入磁滯回控制[6]，具體的磁滯回線如圖4(b)所示。

圖4 并聯電路控制流程

2 實際應用電路參數設計

綜上所述對兩個電池包進行并聯設計。兩個電池包電壓均為14.8 V，容量均為2 200mA。由于兩個并聯電路模塊均相同，所以僅畫出其中一個并聯電路的模塊電路原理圖[6]。電路原理圖如圖5所示，其中圖5(a)為其開關管、驅動、電流取樣、控制系統的電路原理圖[7]，圖5(b)為其系統電源部分電路原理圖。

圖5 并聯電路原理圖

2.1 功率部分參數設計

并聯電路中，功率部分主要由兩個器件構成，即P溝道的增強型MOS管Q1及電流測量電阻R1。為了盡可能地降低導通損耗，所以PMOS管的選取除了要考慮其耐壓、正向電流以外，還必須要求具有較低的導通電阻[8－9]。綜上因素，選擇Si7463ADP，其耐壓值為40 V，導通電阻0.01W(VGS=－10 V時)，正向電流46 A。電阻R1的取值為0.005W，功率為2W，精度1%，即總導通電阻為0.015W。

2.2 控制部分電路設計

根據上一個部分的描述，如圖5所示，控制部分主要由電流取樣部分、控制部分、驅動部分及系統電源部分構成。

電流取樣部分，選用MAX9938T高精度差分放大器將電流取樣電阻R1兩端的電壓作減法并放大25倍送往控制系統中進行比較。

控制部分由兩個部分構成，其中電壓比較部分由LM 393構成兩個電壓比較器，這兩個比較器的一個同相輸入與另一個反相輸入信號均來自電流取樣部分的輸出。從而判定輸出電流是大于IO2還是小于IO1。而比較器LM 393輸入的參考基準電壓Vref_1、Vref_2來自系統電源。

控制部分中的RS觸發器由或非門74LS02構成，主要是將電壓比較器輸出的兩個信號R、S用來實現對RS比較器輸出置位與清零。即當輸出電流大于IO2時，RS觸發器輸出置位1；當輸出電流小于IO1時，RS觸發器輸出清零。

由于RS觸發器輸出的信號不足以讓PMOS完全實現關閉以及導通，所以引入驅動部分，驅動部分由Q2的NMOS管2N7002、10k W電阻R4、20k W電阻R2構成。當RS觸發器輸出置1時，開關管Q2導通，電阻R2的與開關管Q1柵極相連的一端被拉到地，VGS呈負壓，且大于其門限電壓，開關管Q1導通；反之，開關管Q1截止。

圖5(b)所示的系統電源部分將并聯總線電壓VCC-BUS通過線性降壓器LP2950-5.0降壓成5.0 V的輸出，以提供給控制部分比較器、觸發器的電源，同時通過一個TL431再次降壓成2.50 V作為更穩定的基準電壓。通過電阻R8與R9對此2.5 V電壓進行分壓得到Vref_1送到比較器中作為清零比較，如式(3)所示。

通過電阻R7與R10對此2.5 V電壓進行分壓得到Vref_2判送到比較器中作為置1比較，如式(4)所示。

3 實驗結果與分析

為了進一步驗證上述的推論，現將兩個電池包分別采用肖特基極二極管與上述并聯電路模塊來進行并聯，測試其導通壓降并計算轉換效率。同時測試其在切換瞬間的反向電流大小與沖擊時間。

采用圖6(a)所示的二極管并聯拓撲，其中D1、D2為SB560肖特基二極管，耐壓42 V，導通電流5.0 A。采用圖6(b)所示的并聯電路拓撲。其中電池包BT1、BT2的電壓均為14.8 V，以電子負載作為并聯系統的輸出負載，輸出電流3 A/5 A。其中電流I1、I2、I3分別對應電池包BT1、BT2、整個系統的輸出電流。

通過對兩種不同的電池包并聯方案進行對比，3 A輸出與5A輸出對比分別如表1、表2所示。通過表1、表2的測試數據，可比較出使用MOS管并聯的方案，具有較低的正向壓降，因而具有較少的功率損失。

由于二極管具有反向恢復時間，同時這個并聯電路也有一定的反向恢復時間。為了進一步測試此多電池包并聯技術在電池包熱插撥切換時反向沖擊電流大小以及時間，采用電池包瞬間接入與斷開來進行相關測試，同時也對二極管并聯電路進行了同樣的實驗，實驗的波形如圖7所示。

圖6 測試方案結構框圖

圖7 并聯電路熱插撥時電流波形

本文實驗原理樣機主要用于驗證多電池包并聯系統的基本工作原理，對于不同輸出電流、電壓的電池包并聯電路，需要對P溝道的功率MOS管Q1、電流采樣電阻R1及系統電源部分進行對應的參數計算與器件選擇，這一點要特別注意。

4 拓撲推廣

在帶有電池供電的電子系統中采用如圖8(a)所示的電路來實現AC/DC變換器的直流輸出與電池并聯。此處的肖特基二極管D1、D2同樣也是為了在兩個源之間進行相互隔離。

本文所述的多電池包并聯技術也可用于上述系統中，應用框圖如圖8(b)所示。市電經AC/DC變換器后連接至并聯電路-1，電池BT1的正極連接至并聯電路-2，并聯電路-1、并聯電路-2的輸出端均連接至并聯總線VCC-Bus。如同在多電池包并聯系統中的應用一樣，在實現電池包與AC/DC輸出之間相互隔離的同時，同樣可降低傳統并聯電路中由于二極管的正向導通壓降而造成不必要的功率損耗。

圖8 AC/DC變換器與電池的并聯系統

5 結論

本文從多電池包并聯系統中采用二極管來進行電池包之間隔離的應用出發，結合開關電源中同步整流技術對此二極管隔離進行了相關分析，總結了在多電池包并聯系統中采用功率MOS管來代替傳統的二極管，并提出了相應的MOS管開啟及關斷控制的技術方案。與同步整流技術一樣，MOS管的引入使得其具有更低的導通壓降及導通損耗，從而提高了電池包電能的利用率。并將此拓撲推廣應用到帶有電池供電的電子系統中。

仿真和實驗結果均證明了所設計電路的可行性及理論分析的正確性。

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Research on parallel technology ofmultibattery pack

WANG Xian-jiang1，2，HU Zhen-ying1，SHIYu2
(1.EDAN Instruments，INC，Shenzhen Guangdong 518067，China;2.School ofM icroelectronicsand Solid State Electronics，University of Electronic Science and Technology ofChina，Chengdu Sichuan 610054，China)

In order to improve the capacity and reliablity ofbattery system using parallelw ith multiple battery pack，the two sources can notbe parallel in theory.In order to achieve the mutual independence between each battery packs using a diode in series w ith the battery pack to achieve isolation，in order to reduce the power loss by using the isolation diode，the application of synchronous rectification in sw itching power supply was analyzed，and combined w ith its control theory，the MOS was used instead of the isolation diode and a corresponding circuit was built to control the MOS on and off，achieving the same effectw ith the isolation diode.At the same time，because of the low on-resistance of the MOS transistor，the power loss of the originaldiode isolate is reduced in system.The simulation and experimental results prove the correctness and feasibility of this design.

diode isolation;synchronous rectification;battery pack parallel;MOS tub

TM 91

A

1002-087X(2016)07-1393-03

2015-12-05

王賢江(1986—)，男，四川省人，碩士，主要研究方向為電力電子控制技術。