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100Ah、12V铁锂电池组及DIY 500A保护电路

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex



保护
本铁锂电池属于动力电池,是安全型的,测试中,在跌落、挤压、穿刺、短路等场合下,均不发生爆炸、起火现象。





但是,由于能量大、放电电流可以很高,因此必须做好保护措施,尽可能防止在意外情况下对外界、对电池自身造成损害。

保护的内容可以包括:
1、过流保护,放电电流超过一定数值就断开,是一种必要的保护措施。电流最好做成可调的,比如10A到500A,适合做不同的用途。另外,还要有一定的滞后时间常数。
2、短路保护,这个可以认为包含在上述过流保护的范畴之内,只不过短路的电流非常大,动作时间应该缩短。
3、过热保护,温度超过某设定值后断开,这个在好一些的锂电池组保护电路中都有。
4、欠压保护,电池组电压低于一定数值后断开,这个在一般的保护板里都有。
5、过压保护,主要是防止过充,这个在一般的保护板里都有。
6、均压保护,充电时在容量不完全一样时,保证不让偏低容量的电池过充,同时可以让容量偏高的充满

保护的来源方式,可以购买现成的保护板,也可以DIY。
DIY大电流同轴保护板
为什么要大电流?有很多大电流的应用,例如2000W的逆变器要200A,9500lb的绞盘要400A。
为什么要保护?不言而喻,防止烧坏外部电器,防止意外短路或过流。
为什么要DIY?买现成的不行吗?只见有卖100A的没有更大的。即便有/定做,相当贵;即便有,体积也不合适。
什么是同轴?就是电池的输出与保护后的输出是在一个轴上、用一个螺丝拧紧在一起的。
为什么要同轴?空间所限,不想在电池的宽度、深度方向增大体积,更主要的是同轴方式的强度高。
其它特点?紧固一体,可以增加外防护或者把手。

保护板功能
有启动按钮,用于在关闭的状态启动电池、有输出。开启后,绿色LED点亮。没有启动按钮的,保护后就没有输出了,需要充一下电才恢复输出,肯呢个会很不方便。
有关断按钮,用于断开电池(红色LED亮几秒钟,然后熄灭);如果启动按钮和关断按钮同时按下,执行关断功能。
有电流表,指针式,最大400A,每格100A,最小估读20A。向右偏转为放电电流,向左偏转为充电电流。
(小的50uA正负表头,直接用不行,满度200mV,需要放大5倍)
有电压表,指针式,10V到14V共4格,每格1V。
具有过流保护功能,保护电流可调(10A、20A、50A、100A、200A、350A、500A)
具有开启延或过流时间常数,以便在短暂的过流的情况下不保护,例如电容充电,时间常数大约10ms。
具有短路保护,实际上短路必然过流,过流越大则保护时间越短。
具有欠压保护,10V断开(可微调)、12V恢复。
具有过热保护,50度断开、40度恢复(50度常开温度开关)。

特点包括:
采用业界最低导通电阻的MOS管IPB009N03L,典型导通电阻0.7mR,最大0.95mR,8只并联,总导通电阻不大于0.1mR。

采用MOS管本身作为电流检测器件。
快速大电流驱动,这样可以有效克服并联MOS管的输入电容,减少过渡时间。
有源器件万一损坏不引起过放电或过流。
驱动部分永久加电但低耗电(<0.2mA)。以前有一版设计是带关断的,停止后完全不耗电,但比较复杂,转换也恐怕有问题,而且那0.2mA的电流可以不去节省,0.2mA放电要57年才能把100Ah的放光。


原理图(点击可见大图)




开关MOS管为8个IPB009N03L并联,仿真库里没有,8个并联画起来费事就找了一个阻抗低的管子替代。

有源控制器件为低功耗CMOS双运放LMC6062和6施密特CD40106,永远加电,但电流最大70uA。
这两个器件均经过R7=12k供电,万一出问题短路电流也就1mA。
另外,接电源或较高电压的电阻,一律>10k,以免万一出问题后,电流不大于1mA。

Start按钮按下后,U3B得到正电压,与U3C、R17组成的双稳翻转,因此Q1输入为正导通,负载R1不重时其输出很低,通过R5让C1放电,使得运放U1A+in为低,低于U1A-in的电流设置电压后,其输出为低,U3A输出为高,此时放松Start按钮后仍然保持,电池开启,负载R1有电,On LED发光。如果开始的时候按下Start按钮时间短,那么C1来不及放电,松开Start时U3A输出仍然为低,通过D4钳位后双稳又会翻转回来,只形成短暂的输出。

过流后,负责采样的Q1输出电平台高,经过R5、C1的时间常数延时,当超过U1A负输入设定的电流值对应的电压后,输出为高,U3A输出低,通过D4和R21让U3B/U3C/R17的双稳翻转,输出为低,Q1开路,输出断开。此时必须撤除过流原因并手动按下Start才能再次启动,即便外部有电容负载或其它的电压让R5左边为低、U3A的输出为高,也不能通过D4触发双稳。C1=10nF是在仿真时的为了速度快因此取得小,实际应取100nF到200nF,这样3倍的时间常数为0.1到0.2秒。

过流后超过的电流越大,R5左边电压越高,延时就越短,关断的动作越快。短路时电压较高,延时最短,很快保护就动作。D3的作用是在关断状态下不让电容的电压上升过高,以免启动费时。其限压0.5V对应5000A的电流,可以让速度加快到10倍到100倍,对应时间1ms-10ms。

R18和R19组成电池电压分压电路,与1.25V基准做对比,低于后U1B输出为低,通过D1触发双稳,实现保护。R20组成滞后回差,10V欠压动作后,要12V才能恢复,否则按下Start只能短暂有输出,松开Start会仍然无输出。

要强调的是,由U3B/U3C/R17组成的双稳,只有按下Start才能启动,别无其它启动方法。而让其断开,除了按Stop外,还有通过D4和D1的过流、欠压保护。

J3为50度常开温度开关,达到50度后无条件的短路调整管Q1到地,强制输出断开,使得任何其它驱动无效。只有等到大约温度恢复到40度附近才可以重新开启。

电池开启后,C6通过D2和R28充电,当电池关闭后,C6通过R28和Off LED放电,可以点亮5秒钟并逐渐衰减。

R22给1.25V的基准U2提供25uA的电流,分压串总阻125k用掉10uA自己还有15uA,每k为10mV,通过开关提供1mV到50mV的参考电压,由于主MOS管的导通电阻为0.1mR,因此对应10A到500A的电流。

最下面的100欧可调,补偿Vos的初始变化。U4、Q2等,为电压电流指示部分。

主开关管Q1的驱动,图上画了4个门,但只接了一个,原因是仿真不支持并联,实际并联时必须用快速开关驱动,不能用慢速变化的信号驱动,以免不同的门因开启电压不同而造成互搏。这部分实际要采用以下射随驱动:
[attachment=46798]

其中两个管子可以选择8050和8550,在输入30mA下提供大约1A的驱动电流,R2=10欧是仿真时模仿导通电阻以便观察开关时间,C1模拟了主管的输入电容(每个25nF),R1用来在静态的场合下输出到轨并保持两个三极管截至。这部分的电源与运放和CMOS一样,均取自12k限流后,由于开关频率低,电流小,因此电压仍然能保持很高,动态电流由1uF电容提供,

结构图
100Ah四串12V铁锂电池连接与同轴保护板结构

0,负输出螺丝,内M8×14
0.1,1,固定螺丝,不锈钢的
2,紫铜垫片,2片3mm的
3,紫铜底板,1.8mm厚
3.1,底板上翻,这样才能接触到MOS管的管脚
4,MOS管8个并
5,输出紫铜板兼做MOS管散热片,3mm厚
6,输出铜鼻子,一般是3mm厚。
7,负同轴螺丝,不锈钢,只负责紧固,不负责导电
7.1 不锈钢弹簧垫
7.2 不锈钢垫片
7.3 绝缘片,3mm厚环氧板,不让螺丝接触到铜鼻子,同时提供足够的支撑力
c 绝缘套筒,取自圆珠笔,不脆的那种,不让螺丝接触到5和6,



一个M5 的不锈钢螺丝通过大圆垫片压紧4个管子,螺丝可以接触到管子的散热片或者上面的紫铜板,但不可以接触下面的底板,因此底板钻孔较大,并且下面加了绝缘片。在上翻的底版内侧,加有两个特氟龙的绝缘片。






局部照片(点击看大图)

其中一些连接片等粘有硅胶,目的是让这些东西与环氧板成为一体,这样在拆卸的时候,位置是固定好的,再次安装时不用一一对准。
栅极框:



复合MOS管装好:

源极为45×1.6的铜板(截面积72平方),漏极为25×3的铜排 (截面积75平方),栅极并联前串联电阻10欧,这样在25nF的栅极电容啥,时间常数不大于0.25微秒。装好后直接测试栅源电容为68nF。

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