0 引言

　　鋰離子電池以其優(yōu)異的性能在實際中得到了廣泛的應(yīng)用,。隨著電池制造水平的提高， 鋰電池的安全性能逐步提高,， 價格也不斷下降,， 因此，在一些大容量儲能設(shè)備中,， 也越來越多地使用鋰電池作為電源,。

　　鋰電池自身對充放電的要求很高， 一旦過沖很容易引起爆炸,， 而過放則會造成電池的永久損壞,， 因此， 使用不當(dāng)極易造成人員財產(chǎn)損失,。特別是在大容量的串聯(lián)鋰電池組的使用上,， 必須設(shè)計和安裝相關(guān)的監(jiān)測、控制設(shè)備,， 以杜絕上述情況的發(fā)生,。另外， 由于單體電池在生產(chǎn)過程中所存在的不一致性,， 串聯(lián)使用之后的多次充放電會加劇這種不一致性,， 從而極大地影響整個電池組的壽命， 因此,， 電池組的均衡控制極為重要,。

　　為此， 本文使用Intersil公司的鋰電池微控模擬前端芯片ISL9208和Philips公司的小型封裝系列控制芯片P87LPC768 (OTP單片機(jī)) 為主要元件,，給出了一種大容量鋰電池組管理系統(tǒng)的設(shè)計方法,。該系統(tǒng)可實現(xiàn)鋰電池組中單體電池的電壓監(jiān)測和過沖、過放保護(hù),， 以及鋰電池組充放電的過沖電流保護(hù),， 同時可對鋰電池組的溫度進(jìn)行監(jiān)控以保證每個電池最大200 mA的充電平衡電流,。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本文給出的電池組管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2所示是其實際電路連接圖,。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖.

圖2 大容量鋰電池組管理電路,。

　　當(dāng)系統(tǒng)接入外部負(fù)載或者充電器時， 使用一個外部開關(guān)將ISL9208的WKUP引腳拉到高電平,，從而喚醒微控制器模擬前端ISL9208,， 喚醒后的ISL9208則通過內(nèi)置的3.3 V穩(wěn)壓器從RGO口輸出3.3 V電壓來驅(qū)動控制芯片P87LPC768， 這樣,，MCU上電后就可使整個系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn),。

　　MCU可通過I2C接口與ISL9208進(jìn)行通信， 以設(shè)置好ISL9208的內(nèi)部寄存器,， 同時監(jiān)控單體電池的電壓狀況,， 并根據(jù)每個電池的具體參數(shù)判斷電池的狀態(tài)， 再通過均衡模塊對單體電池進(jìn)行保護(hù),， 以防止過沖和過放,。

　　1.1 控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是Philips 公司生產(chǎn)的基于80C51加速處理器結(jié)構(gòu)的小型OTP單片機(jī)， 它的性能是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍,， 并且價格低廉,，易于成本控制。P87LPC768 內(nèi)部集成有4KB 的OTP程序存儲器和可編程的I/O端口,， 4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器和I2C通信接口,。由于ISL9208有I2C接口， 因此,， 使用P87 LPC768可直接相連,， 而不需要軟件模擬， 故較為方便,。

　　1.2 ISL9208

　　ISL9208IRZ是Intersil公司生產(chǎn)的多節(jié)串鋰電池*流保護(hù)器件和微控制器模擬前端， 可支持5~7節(jié)串聯(lián)電池組,。它內(nèi)部集成了過流保護(hù)電路,、短路保護(hù)、內(nèi)部3.3 V穩(wěn)壓器,、電芯平衡開關(guān),、電壓監(jiān)測電平轉(zhuǎn)換器和I2C通信接口。ISL9208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

圖3 ISL9208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,。

　　(1) ISL9208的電壓測量和充放電電壓保護(hù)。

　　ISL9208通過VCELL1~7可直接測量每個電池的電壓,， 但是,， 每個電池的電壓都比穩(wěn)壓器的電壓要高,， 特別是高處的電池電壓可能高于MCU所能接受電壓， 所以,， 在MCU測量和外部A/D轉(zhuǎn)換時,， 必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和分壓。為了進(jìn)入外部電路要求的電壓范圍,， 可用電平轉(zhuǎn)換器把電池電壓以VSS為基準(zhǔn)都除以2,。以使典型4.2 V的鋰電池在I/O口的電壓變?yōu)?.1 V輸出給外部。

　　在充電過程中,， MCU將周期性地測量每個單體電池的電壓,， 并與初始設(shè)定值相比較， 如果大于初始設(shè)定值,， 則MCU通過控制ISL9208的CFET引腳電壓,， 可使外置的N道溝FET關(guān)斷， 以使充電停止,， 從而保護(hù)電池組,。

　　而在放電過程中， 當(dāng)MCU檢測到任何一個電池欠電壓時,， 同樣可對ISL9208寫入一個控制位,，以控制DFET引腳的電壓并關(guān)斷外部FET， 以達(dá)到防止過放電的目的,。

　　(2) ISL9208的電流測量和過電流保護(hù),。

　　ISL9208可以選擇兩種方式充放電， 一種是充放電電路整合到一起,， 另一種是分離式,。它們兩者的區(qū)別在于整合方式充放電電路共用一個電路， 而分離方式則分別用2個引腳檢測充放電電流,， 充電時放電檢測停止,， 反之亦然。本系統(tǒng)采用整合方案,， 因此,， CSENSE 引腳直接接地，DSENSE引腳則通過一個外接電阻來測量電壓,，從而測量充放電電流,。需要注意的是， 此時的參考地是DSREF引腳,。

　　在充電過程中,， 當(dāng)DSENSE的測量電壓超過設(shè)定值且時間超過設(shè)定延時時， ISL9208將進(jìn)入過流保護(hù)和短路保護(hù)模式,。此時,， MCU會通過芯片控制CFET引腳電壓,， 以關(guān)斷外部FET， 從而斷開電路,， 避免過流引起的電池組安全事故,。同理， 在放電時,， 如果檢測到放電短路,， 系統(tǒng)也通過控制DFET引腳的電壓來關(guān)斷外部FET以達(dá)到控制之目的。

　　由于本設(shè)計針對的是大容量的鋰電池串聯(lián)使用的場合,， 其充電電流和放電電流都比較高,， 因此， 電路中的外置FET推薦使用能通過大電流而且穩(wěn)定性較好的IRF540NS,。

　　(3) 芯片內(nèi)部溫度以及外部電池組的溫度測量和控制,。

　　芯片的內(nèi)部過熱主要是由于內(nèi)置均衡電流產(chǎn)生的熱能造成的， ISL9208自身集成有內(nèi)部IC過熱后停止電池均衡的功能,， 因此不需要外置電路來監(jiān)控芯片自身的溫度,。

　　鋰電池的正常工作溫度范圍在0℃至50℃之間， 溫度過低,， 電池將無法工作,， 而過高則容易導(dǎo)致爆炸， 因此,， 對電池組的溫度控制尤為重要,。一旦溫度達(dá)到一定程度， 就必須使用外部散熱設(shè)備對電池組進(jìn)行散熱,， 超過警戒溫度應(yīng)馬上中斷電路,， 以保證安全。

　　ISL9208自帶一個溫度檢測模塊(TEMP3V引腳和TEMPI引腳),， 該電路將反復(fù)開啟(TEMP3V每640 ms開啟5 ms),。TEMP3V引腳通過外接一個電阻分壓器和一個熱敏電阻來實現(xiàn)對電池組溫度的檢測， TEMPI引腳用于測量熱敏電阻兩端的電壓,， 當(dāng)電壓下降到設(shè)定門限值時,， 表示外部過熱， 此時MCU將中斷電路并啟動散熱設(shè)備,， 以等待電池組散熱， 恢復(fù)正常溫度,。TEMPI的電壓可以通過AO口,， 通過MCU設(shè)置多路復(fù)用器來實現(xiàn)對MCU的輸出。

　　1.3 均衡模塊

　　電池均衡可定義為電池組中對單個電池的微分電流的應(yīng)用,， 電池組接受相同的電流,， 每個電池需要額外的電子元件和電路來達(dá)到電池均衡,。

　　電池均衡直接影響整個電池組的使用壽命， 特別是在大容量鋰電池組的應(yīng)用中,， 本身電池組成本較高,， 如果使用壽命很短， 則很難進(jìn)行推廣,。

　　ISL9208只用少量外置電阻就能實現(xiàn)電池均衡,， 需要說明的是， 這種均衡方式屬于電壓式均衡,， 由于電池之間的內(nèi)阻和容量差異,， 即便每個單體電池電壓達(dá)到一致， 也并不代表每個電池的容量就能達(dá)到一致,。實際設(shè)計是采用CB1~7引腳,， 并通過內(nèi)部的FET， 在充電時繞過單個電池并分流一小部分電流,； 而在放電時,， 則從電池分出電流， 這個功能可以減小單體電池的電壓,。其電流最大可達(dá)200 mA,， 并可以根據(jù)分流電阻下調(diào)均衡電流的大小。在均衡電流比較小的時候,， 可以開啟多個均衡FET,， 但整體不能超過器件的功耗限制， 過多的平衡電流會導(dǎo)致內(nèi)部IC過熱而中斷充放電,。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件部分是通過MCU實現(xiàn)周期性測量各個參數(shù),， 并與初始化時的設(shè)定值進(jìn)行比對，以判斷是否需要進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)或者平衡狀態(tài),。整個系統(tǒng)的軟件可采用模塊化設(shè)計方法,。

　　2.1 系統(tǒng)初始化模塊

　　系統(tǒng)初始化模塊主要完成對ISL9208的初始化， 主要設(shè)定系統(tǒng)的過放電保護(hù)電壓,、過充電保護(hù)電壓,、過放電電流、DFET和CFET引腳的狀態(tài),、以及TEMP3V溫度模塊等,。

　　2.2 參數(shù)測量模塊

　　參數(shù)測量模塊主要用于對鋰電池運(yùn)行狀態(tài)下的電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行周期性測量,。因為各個參數(shù)都已經(jīng)設(shè)置好了測量方法,， 所以， 只要MCU通過I2C通信接口向ISL9208的SDA引腳發(fā)出指令,， 修改ISL9208內(nèi)部多路復(fù)用器的寄存器(地址為03H) AO3:AO1的值,， 就可以使AO引腳向MCU輸出需要得到的各種電壓值,。

　　2.3 狀態(tài)判斷模塊

　　經(jīng)過參數(shù)測量模塊所得到的測量值經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換， 再由MCU將其與初始設(shè)定值進(jìn)行比較,，如果超過上下限值,， 則進(jìn)入保護(hù)模式， 如無,， 則進(jìn)入均衡模式,。

　　2.4 保護(hù)和均衡模塊

　　當(dāng)MCU判定系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式時， MCU可通過設(shè)置ISL9208的FET Control寄存器(地址： 04H)后兩位的值來實現(xiàn)對外部FET的控制,。

　　如果周期性測量的各個參數(shù)都符合正常工作范圍的要求,， 那么則進(jìn)入充放電均衡模式。若以當(dāng)下電池組中電壓最低的那個電池的電壓為基準(zhǔn),， 均衡范圍為±50 mV (均衡的相差電壓可根據(jù)實際需要通過電阻調(diào)節(jié)),， 那么， 就可據(jù)此逐個排隊判定其他電池是否需要均衡,， 然后由MCU通過修改Cell Balance (地址： 02H) 寄存器的值來實現(xiàn)對CB1~7引腳電壓的控制,， 以開啟或關(guān)閉每個電池的均衡模塊。

　　本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示,。

圖4 主程序流程圖,。

　　3 測試結(jié)果

　　通過仿真電路對整個系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測試， 可以得到如下結(jié)果：

　　(1) 過充電保護(hù)電壓： 4.2 V±25 mV,； 過充電恢復(fù)電壓： 4.0 V±25 mV,。

　　(2) 過放電保護(hù)電壓： 2.7 V±25 mV； 過放電恢復(fù)電壓： 3.0 V±25 mV,。

　　(3) 單體電池的均衡電壓： 50 mV (可以根據(jù)實際需要進(jìn)行修改) 具體的電流參數(shù)如表1所列,。

表1 電流參數(shù)測試結(jié)果。

　　4 結(jié)束語

　　本文給出了一種5~7節(jié)鋰電池串聯(lián)管理系統(tǒng)的設(shè)計方法,。該方法結(jié)構(gòu)簡單,、精度適中， 能滿足大多數(shù)大容量鋰電儲能場合的管理需要,。另外,， 如果串聯(lián)的鋰電池數(shù)目更多， 也可以將多個ISL9208并聯(lián),， 以實現(xiàn)更大的擴(kuò)展,。