单体并联锂电充电、放电、反向保护模块的初步设计

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在xzd_01同志的启发下，我想做一个多个锂电单体并联组成的电池模块。通过串连多个这样的模块可以实现高电压、大电流的锂电池组。而且我还准备设计一个对这种单体模块进行充电、放电、反向保护的模块。做成一块小板，和并联的锂电模块做在一起。这样无论怎么并、串锂电，都可以实现稳定的充放电性能。而不用担心串连的锂电池组会因为单体容量不同而造成个别单体过充，或者放电时过放的问题了。因为我这里考虑的都是给大飞机或者大船用的。至少都是3并＋任意组串连方式连接的锂电池组。所以重量和体积都不是首先要考虑的问题。这里首要考虑的是电池的输出功率，其次是使用的时间，最后也是最重要的--安全！所以这里不会刻意在乎几十克增加的保护电路的重量和增大的体积的。
贴出这个帖子，想和喜欢大容量、高电压的大型电动模型的朋友探讨。
初步设想：
这是xzd_01的一个帖子给我的启发。现在锂电在小型电动固定翼、直升机和3D飞机上都已经得到很广泛的应用。但对于需要大电流、高电压的大型电动飞机、直升机、和船模，国内几乎没有人用到锂电。究其原因，当然首先是经济方面。动辄1、20块锂电单体就是一笔不菲的投资。其次就是没有合适的产品。国内没有人制作专业的锂电池组，保证锂电的单体容量相当，以保电池组在充放电时不会出现过充和过放。而对于镍氢、镍镉电池组，只要你有钱，肯定可以买到matched的电池组。第三国内没有人想到做过能提供几十A电流、电压可以达到20V以上的电池组
那么怎么办？结合我近几个月来琢磨模型电子电路的一点经验和教训，我想能不能做这样一套系统来实现上述的目标：
1.采用模块化结构。以多个单体并联组成一个基本的模块。模块上附带充电、放电、反向保护电路。
2.多个模块直接串连即可实现一组高容量、大电流、高电压的电池组。可以直接对电池组充电。每个模块不会过充。也可以直接放电，每个模块一旦达到规定放电电压就断开内部的电池组，而变成短路直通模式，让仍有余电的模块继续放电。而不会造成整个串连的电池组出现断电，而不能返航。使用者可以根据动力的下降判断出已经有模块出现过放保护，并提前做好返航的准备。
3.充电时可以用标准的可以充多节锂电的充电器充，也可以用恒压或者恒流电源为串连电池组充电。
最终模块的放电能力我希望达到：最大电流和电池总容量可以通过增加并联的单体电池来实现。电压则靠直接串连多个模块来实现。我希望做到单个模块60A持续稳定放电、100A瞬间放电的放电水平。估计这样大约需要6块2000mAH的单体并联来实现。

图中“n”为并联的单体锂电的数量
电路实现：
主要分成三个部分：4.2V并联恒压充电保护电路、大电流串连开关、并联旁路放电开关。
1. 4.2V并联恒压充电保护电路
这个电路的作用其实和5IMX现在卖的CoolDazzle独立平衡式锂电池组和充电器类似--即针对为每节单体电池提供独立的充电和监测回路，尽管每节电池是串连在一起的，但在电池与电池之间通过引出抽头和在充电器中做出多个充电和监测回路，使每节电池实际上还是被单独充电的，从而避免出现因为单体电池容量不同而造成的部分单体电池电压已经超过4.2V，而整个电池组的电压仍然保持在n×4.2V，最后造成部分单体电池过充的问题。
不同的是，这个电路的思路是将充电保护电路直接和电池做在一起。直接通过并联一个4.2V的并联式稳压电路来实现。这样以后如果把若干个4.2V锂电模块串连起来充电，那么这个并联稳压器可以在充电时，当这个模块的电压升高到4.2V时，通过一个并联的分流电路来将充电电流从电池旁边旁路掉。
不过这个电流不能太大。因为这个电路旁路掉的能量实际是要通过一个电阻来消耗掉的。流过的电流太大会造成过热的问题。另外必须采取开关并联稳压方式，否则做开关用的贴片MOSFET（下面简称FET）是不能承受那么大的功耗的。可以设计一个薄铝板制作的散热片，供这个放电电阻和下面的大电流开关中的FET散热用。
初步设想设计的单体充电电流在1.5A以下。单个模块的充电电流（过充保护时的旁路电流）为n×1.5A。
2.大电流开关和串连欠压保护
这个电路的主要作用是为了在模块的电压低于2.75V时，将并联的锂电单体与外部电路断开。
电路设计比较简单，但印刷板和散热设计比较讲究。主要是通过多个并联的FET来实现。基本按照每块单体电池最大电流20A、连续工作电流12A来设计。这样使用内阻5毫欧以下的N沟FET，每块单体电池按照2只FET来计算基本可以满足这个要求。印刷板设计时应该先把所有的电池先并联，再把所有的FET并联，然后再把两者连接在一起。这样可以让单体电池之间、FET之间实现自动均流。控制电路从并联的单体电池直接取得电源。通过升压模块获得16V的电压。然后通过控制逻辑在欠压时加载到FET的栅极上。因为单体本身有2.75V－4.2V的电压，因此FET栅极到源极上实际获得的是12V的栅压，足以使FET饱和导通。采用12V极限栅压的FET时，还可以在FET栅极前串连一只10K的电阻，再在栅极到源极之间并联一只11V的稳压二极管即可。
控制逻辑也是一个比较麻烦的地方。要求多多，还没有头绪。主要需要有状态记录电路和启动电路，保证开关在欠压后不会再次启动等等。
3.大电流反向旁路开关
设计与欠压保护非常相似。不细述。它的作用主要是在欠压保护电路启动后马上给整个串连电池组提供一个反向的放电电路，使串连电池组中的其他模块能继续正常“透过”（bypass）这个模块向模型供电。考虑到当欠压电路启动时，其他的模块的容量也应该所剩无几，因此放电电流容量应该可以稍稍放松。至少散热方面的要求可以稍稍放松。
其实这个电路有一个最简单的设计方案，就是用多只肖特基二极管直接反向并联在电池上。这样正常情况下，二极管处于截止状态。一旦欠压保护启动，串连的大电流开挂断开，剩下的模块可以继续通过这些二极管给模型供电。不过这种电路有几个缺点使它不是特别适合。一是二极管的负温度特性使它不适合通过并联来扩大容量。如果硬要并联，那么最好要在每只管子上串连一个小电阻以实现均流。这个电阻当然可以用细印刷板铜条来实现，但毕竟是会降低输出电压。二是它本身会有0.2－0.3V左右的压降。