中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 電力系統(tǒng)中各類暫態(tài)過(guò)電壓引起的高幅值電壓波動(dòng)會(huì)影響電化學(xué)儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)中的安全穩(wěn)定運(yùn)行，已有電化學(xué)儲(chǔ)能火災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告指出了目前針對(duì)儲(chǔ)能鋰離子電池模組暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)能力不足的問(wèn)題。本工作通過(guò)分析浪涌過(guò)電壓防護(hù)器件的性能，提出針對(duì)儲(chǔ)能鋰離子電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)電路設(shè)計(jì)，并開(kāi)展器件選型、配合設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試，研發(fā)出一種具備多級(jí)降壓-級(jí)聯(lián)穩(wěn)壓自開(kāi)斷功能的電池模組過(guò)電壓防護(hù)電路。結(jié)果表明，針對(duì)12 V鋰離子電池模組，共模和差模輸入下峰值為500 V/1 kV/2 kV/4 kV、波形為1.2/50 μs的沖擊過(guò)電壓下，所設(shè)計(jì)防護(hù)電路通過(guò)逐級(jí)限制電壓和能量泄放，將輸入電池模組的電壓幅值抑制在15.2~26.4 V。穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測(cè)試表明，當(dāng)電壓低于26.5 V時(shí)，實(shí)現(xiàn)模組電壓穩(wěn)壓至12 V；超過(guò)26.5 V時(shí)切出功能動(dòng)作隔離鋰離子電池模組，研究有助于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開(kāi)斷及穩(wěn)壓功能。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；暫態(tài)過(guò)電壓；共模；差模；防護(hù)電路
隨著電化學(xué)儲(chǔ)能電站的不斷落地，電站起火、燃爆等事故頻發(fā)，安全問(wèn)題已成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)包含大量線路、金屬管道以及儲(chǔ)能變流器(power conversion system, PCS)，與外部發(fā)電系統(tǒng)(如風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)中電氣互聯(lián)的風(fēng)電、光伏發(fā)電子系統(tǒng)等)具有直接或間接的電氣連接。電化學(xué)儲(chǔ)能及其連接的外部系統(tǒng)遭受直接雷擊或感應(yīng)雷、系統(tǒng)諧振，以及斷路器開(kāi)斷等均會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓產(chǎn)生，并通過(guò)差模/共模等多種耦合形式侵入鋰離子電池組。然而，已有措施對(duì)于儲(chǔ)能鋰離子電池的過(guò)電壓防護(hù)能力不足，如電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)僅內(nèi)嵌單級(jí)浪涌保護(hù)器(surge protection device, SPD)進(jìn)行自身保護(hù)，缺乏對(duì)鋰離子電池模組的過(guò)電壓有效抑制以及過(guò)電壓故障下電池模組的穩(wěn)壓和切斷設(shè)計(jì)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)并網(wǎng)裝備及系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)技術(shù)展開(kāi)了一系列的研究。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別建立了金屬氧化物壓敏電阻的全電流模型和壽命模型。文獻(xiàn)[8]分析了用于過(guò)電壓防護(hù)的壓敏電阻和氣體放電管的動(dòng)態(tài)性能，并提出了一種組合設(shè)計(jì)方法。對(duì)于低壓配電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9]基于理論分析研究了兩級(jí)浪涌保護(hù)器配合機(jī)理。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了相關(guān)信號(hào)裝置的過(guò)電壓保護(hù)裝置。然而，關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能電池的過(guò)電壓防護(hù)研究較少，儲(chǔ)能鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有高功率/大電流雙向變送的特點(diǎn)，同時(shí)是含電荷存儲(chǔ)和多種化學(xué)反應(yīng)能的有源高能系統(tǒng)，電池成組后也存在局部環(huán)流、短板效應(yīng)等問(wèn)題，相比于其他防護(hù)對(duì)象具有明顯差異的特征。文獻(xiàn)[10-12]計(jì)算得到的不同混聯(lián)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)遭受雷擊時(shí)儲(chǔ)能子系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)電壓水平，過(guò)電壓幅值達(dá)數(shù)百甚至上千伏，并且目前已有因外部過(guò)電壓/過(guò)電流引發(fā)的儲(chǔ)能鋰離子電池著火事故，如韓國(guó)忠南洪城郡鋰離子電池儲(chǔ)能火災(zāi)事故等，暴露出事故前期檢測(cè)性差、預(yù)警能力缺乏、防護(hù)水平不足等問(wèn)題，亟須結(jié)合儲(chǔ)能電池自身特征，針對(duì)性地研究過(guò)電壓防護(hù)設(shè)計(jì)方法。
因此，以儲(chǔ)能鋰離子電池模組為對(duì)象，分析電池模組自身過(guò)電壓防護(hù)需求特點(diǎn)，同時(shí)依據(jù)關(guān)于電磁兼容和浪涌(沖擊)試驗(yàn)推薦的過(guò)電壓防護(hù)水平，設(shè)計(jì)針對(duì)性的暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)電路，開(kāi)展共模和差模不同峰值過(guò)電壓測(cè)試，分析防護(hù)電路的暫態(tài)電壓響應(yīng)和防護(hù)能力。同時(shí)，集成穩(wěn)態(tài)直流超限電壓防護(hù)電路，研發(fā)鋰離子電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開(kāi)斷及穩(wěn)壓功能的一體化電路。
1 電池模組過(guò)電壓防護(hù)電路設(shè)計(jì)
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的鋰離子電池模組如圖1所示，電池模組為多個(gè)電芯按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，對(duì)外只有一對(duì)正負(fù)極輸出端子。在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池模組需要配合PCS和BMS實(shí)現(xiàn)正常充放電循環(huán)，配合電網(wǎng)完成新能源消納和移峰填谷等功能。系統(tǒng)中的隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器和分流器布置于電池模組的高壓箱，正接觸器、負(fù)接觸器和預(yù)充接觸器分別接入正極母線和負(fù)極母線。分析現(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)與工程可知，所使用的保險(xiǎn)絲和熔斷器對(duì)于暫態(tài)過(guò)電壓引起的浪涌電流并不敏感，采用如氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻等單級(jí)浪涌防護(hù)器件的方法存在過(guò)電壓限制能力有限的問(wèn)題，且存在因拒動(dòng)或誤動(dòng)導(dǎo)致的單級(jí)功能失效而無(wú)后備保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法有效保護(hù)對(duì)過(guò)電壓敏感的鋰離子電池模組。當(dāng)前針對(duì)儲(chǔ)能鋰離子電池的防護(hù)功能主要有過(guò)流保護(hù)、過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、短路保護(hù)等，以上保護(hù)功能對(duì)于可能侵入電池的暫態(tài)過(guò)電壓和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的防護(hù)水平不足，電路自身也存在耐過(guò)電壓沖擊能力差、動(dòng)作后切出無(wú)自恢復(fù)功能等問(wèn)題。
圖1 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰離子電池模組電路圖
針對(duì)儲(chǔ)能電池模組特點(diǎn)和現(xiàn)有過(guò)電壓防護(hù)問(wèn)題，采用可靠性較高且無(wú)需向系統(tǒng)取能的無(wú)源防護(hù)器件，設(shè)計(jì)依次級(jí)聯(lián)的具備降壓和限壓能力的多級(jí)過(guò)電壓防護(hù)電路，逐級(jí)降低儲(chǔ)能鋰離子電池模組可能遭受的暫態(tài)過(guò)電壓，并互為后備保護(hù)，降低鋰離子電池模組的過(guò)電壓防護(hù)電路單級(jí)功能失效或拒動(dòng)/誤動(dòng)引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。
1.1 無(wú)源防護(hù)器件分析與選型
無(wú)源浪涌防護(hù)器件的工作原理是當(dāng)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，通過(guò)快速響應(yīng)提供一個(gè)低阻抗的通路，將過(guò)電壓導(dǎo)向大地，以限制過(guò)電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間，降低設(shè)備遭受過(guò)電壓的影響。在無(wú)源過(guò)電壓防護(hù)器件領(lǐng)域，氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管是采用較為廣泛的浪涌保護(hù)器件。分析三種防護(hù)器件的浪涌通流能力、寄生電容、鉗位電壓、泄漏電流和響應(yīng)速度等參數(shù)，如表1所示。其中，鉗位電壓和泄漏電流的具體參數(shù)根據(jù)器件的不同型號(hào)會(huì)有區(qū)別，表1僅比較了三種器件的相對(duì)性能特征。研究基于多級(jí)泄放、逐級(jí)限壓的防護(hù)電路設(shè)計(jì)和配合方法，選用浪涌通流能力強(qiáng)、鉗位電壓高的氣體放電管作為第一級(jí)防護(hù)電路，氣體放電管是一種開(kāi)關(guān)型保護(hù)裝置，在擊穿電壓范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生漏電流，但其維持電壓顯著低于擊穿電壓，引起續(xù)流問(wèn)題導(dǎo)致電弧持續(xù)燃燒；同時(shí)，因其響應(yīng)速度較慢(百ns級(jí))易引發(fā)響應(yīng)時(shí)序的問(wèn)題，需要配合并聯(lián)電路進(jìn)行多級(jí)防護(hù)。為此，選用氧化鋅壓敏電阻配合氣體放電管作為第二級(jí)防護(hù)電路，壓敏電阻不存在續(xù)流和電弧持續(xù)燃燒問(wèn)題，結(jié)合這兩種防護(hù)器件，可有效解決漏電流和續(xù)流的問(wèn)題，增強(qiáng)了過(guò)電壓防護(hù)能力；同時(shí)，級(jí)聯(lián)功率電阻或共模電感等退耦器件，降低侵入過(guò)電壓的陡度和上升時(shí)延，解決了第一級(jí)防護(hù)電路響應(yīng)時(shí)序的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)第一級(jí)防護(hù)電路和第二級(jí)防護(hù)電路互為備用。最后，選用鉗位電壓與電池模組的承受電壓更為相近的壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管作為第三級(jí)防護(hù)電路，瞬態(tài)抑制二極管的鉗位電壓低于氣體放電管和壓敏電阻，而它的響應(yīng)速度可達(dá)ps級(jí)，提升了電池模組過(guò)電壓的防護(hù)時(shí)效。
表1 三種無(wú)源浪涌防護(hù)器件的分析與比較
1.2 過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)電路設(shè)計(jì)
依據(jù)上述的無(wú)源防護(hù)器件分析與選型，以及暫態(tài)過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)和后備保護(hù)電路設(shè)計(jì)，提出包含一次降壓回路、二次降壓回路和三次限壓回路的儲(chǔ)能鋰離子電池模組暫態(tài)過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)電路，并開(kāi)展各級(jí)防護(hù)回路的參數(shù)計(jì)算和配合分析。
其中，一次降壓回路和二級(jí)降壓回路主要采用浪涌通流能力強(qiáng)、鉗位電壓高的無(wú)源防護(hù)器件，通過(guò)將不同電壓等級(jí)的氣體放電管和壓敏電阻級(jí)聯(lián)退耦器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)序逐級(jí)配合，作為防護(hù)電路的初級(jí)和次級(jí)防護(hù)。電路具備自恢復(fù)能力，可重復(fù)發(fā)揮作用，可以對(duì)侵入電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行大幅度的能量泄放并降低其幅值水平。此外，一次降壓回路和二次降壓回路采用串聯(lián)氣體放電管和壓敏電阻起到后備降壓并解決續(xù)流和電弧持續(xù)燃燒問(wèn)題，器件參數(shù)選擇的直流工作電壓Udc應(yīng)分別滿足式(1)和式(2)。同時(shí)，二次降壓回路中設(shè)置低殘壓壓敏電阻，進(jìn)一步提升降壓回路的電壓嵌位能力。三級(jí)降壓回路最靠近被保護(hù)的電池模組，采用極快速響應(yīng)設(shè)計(jì)和稍高于(>15%)電池模組工作電壓的保護(hù)閾值設(shè)計(jì)，使用響應(yīng)速度達(dá)ps級(jí)且自恢復(fù)能力強(qiáng)可多次重復(fù)使用的瞬態(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步為鋰離子電池模組的過(guò)電壓防護(hù)提供后備保障。
式中，Udc1和Udc2分別為一次降壓回路和二次降壓回路的直流工作電壓，UN為儲(chǔ)能鋰離子電池模組的工作電壓。
此外，依據(jù)共模電感元件特性和多級(jí)降壓回路間的退耦需求，設(shè)計(jì)二次與一次降壓回路間、三次與二次降壓回路間的退耦元件，通過(guò)式(3)計(jì)算可得共模電感的數(shù)值。
式中，U1為前級(jí)降壓回路的殘壓，U2為本級(jí)降壓回路的殘壓，I1為本級(jí)降壓回路的通流量，T1和T2為測(cè)試使用的暫態(tài)沖擊電流函數(shù)的波頭時(shí)間及波尾時(shí)間。
同時(shí)，為預(yù)防PCS和BMS失效引發(fā)的直流電壓超出問(wèn)題，減少穩(wěn)態(tài)直流超限電壓可能對(duì)電池模組造成的損害，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路，并將其集成在電池模組過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)電路后端。所設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路使用穩(wěn)壓二極管、三極管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管等開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)超出閾值電壓時(shí)斷開(kāi)、低于閾值電壓時(shí)開(kāi)通的自開(kāi)斷功能，并通過(guò)引入帶有電壓負(fù)反饋的Buck電路拓?fù)浼捌渑c功率集成電路芯片的配合，實(shí)現(xiàn)介于閾值電壓和工作電壓輸入時(shí)電芯模組電壓穩(wěn)定至額定電壓的功能。
所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能鋰電池模組暫態(tài)過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路如圖2(a)所示，A部分電路實(shí)現(xiàn)電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓三級(jí)防護(hù)，并互為后備。B部分電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的穩(wěn)壓和開(kāi)斷功能。通過(guò)將A、B部分電路級(jí)聯(lián)組合，并結(jié)合PCB布板走線和考慮散熱、電磁兼容、功能擴(kuò)展等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出的基于無(wú)源器件的電池模組過(guò)電壓多級(jí)防護(hù)和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路實(shí)物如圖2(b)所示。
圖2 儲(chǔ)能鋰離子電池模組多級(jí)防護(hù)和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路
2 測(cè)試分析與驗(yàn)證
采用如圖3(a)所示的SJTU-10沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生峰值分別為500 V、1 kV、2 kV和4 kV的典型沖擊電壓波形，分為以共模輸入和差模輸入兩種方式輸入；使用如圖3(b)所示的BK-Precision直流電源輸出幅值為12～30 V的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測(cè)試，使用Tektronix示波器配合衰減比為1∶100的高壓探頭進(jìn)行暫態(tài)沖擊過(guò)電壓的測(cè)量，檢測(cè)每級(jí)電路的暫態(tài)電壓響應(yīng)和輸出端電壓峰值。
圖3 SJTU-10沖擊電壓發(fā)生器和BK-Precision直流電源
2.1 暫態(tài)過(guò)電壓沖擊測(cè)試
對(duì)于暫態(tài)過(guò)電壓沖擊，針對(duì)串行通信中RS422接口的過(guò)電壓防護(hù)設(shè)計(jì)可將波形為1.2/50 μs、峰值為3.5 kV的過(guò)電壓限制在64.0 V，而單級(jí)SPD僅能將類似幅值的過(guò)電壓沖擊限制在數(shù)百伏水平。對(duì)于本工作提出的防護(hù)電路，測(cè)試分別輸入波形為1.2/50 μs、峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV的暫態(tài)過(guò)電壓沖擊，如圖4所示。其中，在電路正極和負(fù)極母線之間進(jìn)行差模輸入測(cè)試，即為如圖2(a)所示的Vin+端子和Vin-端子間。在電路正極/負(fù)極母線與地線之間進(jìn)行共模輸入測(cè)試，即為如圖2(a)所示的Vin+/Vin-端子與GND端子間。電池模組防護(hù)電路A部分的各級(jí)限壓回路下的暫態(tài)過(guò)電壓波形如圖5～8所示。分析差模輸入和共模輸入兩種情況下的暫態(tài)過(guò)電壓波形可知，在不同幅值過(guò)電壓作用情況下，通過(guò)一次降壓回路和二次降壓回路后的電壓波形出現(xiàn)振蕩衰減，且峰值逐級(jí)降低。其中，差模輸入下的暫態(tài)電壓會(huì)正負(fù)交替振蕩，而共模輸入下的暫態(tài)電壓在振蕩中基本保持為正值，差模輸入和共模輸入下振蕩過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間分別為10 μs和5 μs，此后的振蕩幅度低于最大幅度的5%。經(jīng)過(guò)三次限壓回路后，輸入的過(guò)電壓已被鉗位在B部分穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路的限壓工作范圍內(nèi)，此時(shí)陡峭的尖峰波形基本被削平，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于后級(jí)儲(chǔ)能鋰離子電池模組的有效防護(hù)。即當(dāng)差模輸入暫態(tài)過(guò)電壓峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV時(shí)，經(jīng)過(guò)一次降壓回路后電壓峰值分別降低至416 V、592 V、432 V和280 V，經(jīng)過(guò)二次降壓回路后電壓峰值分別降低至204 V、154 V、152 V和212 V，經(jīng)過(guò)三次限壓回路后過(guò)電壓峰值被嵌位在23.2 V、26.4 V、15.2 V和20.8 V。當(dāng)共模輸入暫態(tài)過(guò)電壓峰值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV時(shí)，經(jīng)過(guò)一次降壓回路后電壓峰值分別降低至284 V、392 V、400 V和296 V，經(jīng)過(guò)二次降壓回路后電壓峰值分別降低至228 V、344 V、252 V和256 V，經(jīng)過(guò)三次限壓回路后過(guò)電壓峰值被嵌位在22.4 V、20.8 V、21.6 V和20.6 V。
圖4 不同峰值下的1.2/50 μs暫態(tài)過(guò)電壓沖擊測(cè)試
圖5 暫態(tài)過(guò)電壓(1.2/50 μs, 500 V)下電池防護(hù)電路每級(jí)波形結(jié)果
圖6 儲(chǔ)能鋰離子電池每級(jí)防護(hù)電路(1.2/50 μs, 1 kV)的暫態(tài)過(guò)電壓波形
圖7 儲(chǔ)能鋰離子電池每級(jí)防護(hù)電路(1.2/50 μs, 2 kV)的暫態(tài)過(guò)電壓波形
圖8 儲(chǔ)能鋰離子電池每級(jí)防護(hù)電路(1.2/50 μs, 4 kV)的暫態(tài)過(guò)電壓波形
進(jìn)一步分析不同幅值下的差模和共模兩種輸入過(guò)電壓防護(hù)電路后每級(jí)電路的過(guò)電壓峰值，如圖9所示，在幅值為512 V、1.02 kV、2.08 kV和4.12 kV的暫態(tài)過(guò)電壓輸入電路時(shí)，一次降壓電路、二次降壓電路和三次限壓電路輸出電壓峰值依次遞減，經(jīng)過(guò)三級(jí)電路作用后的過(guò)電壓幅值被嵌位在15.2~26.4 V范圍內(nèi)，同時(shí)，差模輸入下二次降壓電路的過(guò)電壓峰值均低于共模輸入情況，而在低電壓幅值情況下(<2.08 kV)差模輸入下一次降壓電路端口電壓峰值高于共模輸入情況。
圖9 差模和共模不同電壓幅值下多級(jí)防護(hù)電路的各級(jí)電壓峰值對(duì)比
這是因?yàn)橐淮谓祲弘娐吩诘碗妷悍挡钅］斎胂鲁霈F(xiàn)了接地氣體放電管未動(dòng)作情況，而共模輸入該器件動(dòng)作提供了過(guò)電壓泄放通道，降低了過(guò)電壓峰值。進(jìn)一步結(jié)合共模輸入下二次降壓電路過(guò)電壓峰值反而高于差模輸入情況可知，所設(shè)計(jì)多級(jí)電路在低電壓幅值差模輸入一次降壓電路未完全動(dòng)作情況下，依據(jù)二次降壓電路的設(shè)計(jì)和配合實(shí)現(xiàn)了后備保護(hù)作用。對(duì)于高電壓幅值情況，差模和共模兩種暫態(tài)過(guò)電壓情況直接觸發(fā)所設(shè)計(jì)電路的多級(jí)防護(hù)，在一次降壓電路、二次降壓電路和三次限壓電路的逐級(jí)降壓和能量泄放作用下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能鋰電池模組的防護(hù)。
2.2 穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測(cè)試
所設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路是為了解決PCS和BMS失效引發(fā)的直流電壓超出風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，并與上述多級(jí)防護(hù)電路配合進(jìn)一步保護(hù)電池。在穩(wěn)態(tài)直流超限電壓抑制電路設(shè)計(jì)中，首先設(shè)計(jì)具有自恢復(fù)功能的自開(kāi)斷電路部分，依據(jù)儲(chǔ)能鋰離子電池模組的額定電壓和電流，進(jìn)行場(chǎng)效應(yīng)晶體管和穩(wěn)壓二極管的選型，其實(shí)現(xiàn)自開(kāi)斷防護(hù)功能的動(dòng)作邏輯如下：當(dāng)輸入電壓處于電池模組工作范圍時(shí)，穩(wěn)壓二極管不動(dòng)作，流經(jīng)電阻基極電阻的電流為零，三極管的基級(jí)和發(fā)射極不存在電壓差，此時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的門極電壓由電阻分壓并使場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，電池模組正常充放電。當(dāng)輸入電壓超過(guò)預(yù)設(shè)的電壓閾值時(shí)，穩(wěn)壓二極管會(huì)被擊穿動(dòng)作，流經(jīng)基極電阻的電流不再為零，致使三極管導(dǎo)通，發(fā)射極和集電極間電壓為零，使得并聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管門極電壓也為零，場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能鋰電池模組從主電路斷開(kāi)功能。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常水平時(shí)，穩(wěn)壓二極管重新自恢復(fù)關(guān)斷，從而使自開(kāi)斷電路具備自恢復(fù)能力。
進(jìn)而設(shè)計(jì)與自開(kāi)斷電路級(jí)聯(lián)的穩(wěn)壓電路部分，采用帶有電壓負(fù)反饋的Buck電路拓?fù)?，結(jié)合使用功率集成電路芯片，實(shí)現(xiàn)介于閾值電壓和工作電壓范圍輸入時(shí)電芯模組電壓穩(wěn)定至額定電壓的功能。其中，依據(jù)電池模組額定電壓選取功率集成電路主控制元件的額定電壓參數(shù)，功率集成電路器件選用LM 2596，其開(kāi)關(guān)速度為150 kHz，LM 2596降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出引腳的飽和電壓Vsat為1.5 V，并通過(guò)PCB布板設(shè)計(jì)減小該器件引腳的連接面積，降低耦合干擾的影響。在電壓負(fù)反饋的Buck電路拓?fù)渲?，反饋引腳的輸入信號(hào)通過(guò)內(nèi)部電阻R2和R1進(jìn)行分壓，并饋入內(nèi)部誤差放大器的非反相輸入端口。使用邏輯電平信號(hào)控制開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路的開(kāi)斷，閾值電壓設(shè)為1.3 V，輸入電壓高于1.3 V時(shí)關(guān)閉穩(wěn)壓器，從而將總輸入電源電流降至約80 μA，并在輸入和輸出端口設(shè)計(jì)鋁電解電容進(jìn)行濾波，平滑輸出電壓，設(shè)計(jì)功率電感儲(chǔ)存能量和平穩(wěn)電流，通過(guò)肖特基二極管實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷期間的續(xù)流。
使用BK-Precision直流電源對(duì)所設(shè)計(jì)的防護(hù)電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測(cè)試，將電源輸出分別接入防護(hù)電路的正負(fù)極端子，輸入幅值為12.5～30 V的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓。從12.5 V的輸入電壓開(kāi)始，每次測(cè)試逐步提高0.5 V，待數(shù)值穩(wěn)定后檢測(cè)防護(hù)電路的輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如表2所示。分析表2可知，在對(duì)電池模組輸入直流穩(wěn)態(tài)電壓為12.5~26 V時(shí)，通過(guò)所設(shè)計(jì)電路后的輸出電壓降為(12±0.03) V，保證了電池模組的電壓穩(wěn)定。當(dāng)對(duì)電池模組輸入直流穩(wěn)態(tài)電壓增大至26.5 V以上時(shí)，所設(shè)計(jì)電路后中的自開(kāi)斷功能動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的安全保護(hù)。此外，也多次檢測(cè)了所設(shè)計(jì)電路的自恢復(fù)功能，即輸入電壓再降到開(kāi)斷閾值電壓以下時(shí)，儲(chǔ)能鋰電池模組可重新接入主電路，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)儲(chǔ)能鋰電池模組防護(hù)電路的自開(kāi)斷和穩(wěn)壓功能，可用于戶用型和工商業(yè)儲(chǔ)能等分布式應(yīng)用場(chǎng)景中的過(guò)電壓防護(hù)。
表2 電池模組防護(hù)電路的穩(wěn)態(tài)直流超限電壓測(cè)試結(jié)果
3 結(jié) 論
本工作開(kāi)展儲(chǔ)能鋰離子電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開(kāi)斷及穩(wěn)壓功能的一體化電路設(shè)計(jì)研究，通過(guò)器件選型、配合計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，研發(fā)出一種具有多級(jí)降壓-級(jí)聯(lián)穩(wěn)壓自開(kāi)斷功能的電池模組過(guò)電壓無(wú)源防護(hù)電路。得到如下結(jié)論。
（1）所設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能鋰電池模組的暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)功能，峰值分別為500 V、1 kV、2 kV和4 kV的共模和差模兩種暫態(tài)過(guò)電壓輸入下，多級(jí)降壓電路部分將不同幅值暫態(tài)過(guò)電壓降低至15.2~26.4 V，并具備互為后備保護(hù)功能；
（2）實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)直流超限電壓的開(kāi)斷及穩(wěn)壓功能，所設(shè)計(jì)電路可將端口輸入的12.5~26.5 V超限電壓穩(wěn)定至電池模組額定電壓水平，當(dāng)超限電壓進(jìn)一步增大時(shí)，所設(shè)計(jì)電路可實(shí)現(xiàn)電池模組的主電路切出保護(hù)；
（3）所設(shè)計(jì)電路通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了暫態(tài)過(guò)電壓抑制和穩(wěn)態(tài)直流超限電壓開(kāi)斷及穩(wěn)壓功能的配合，為電池模組的安全和防護(hù)提供了參考。
