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) 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， 以及鋰電池組充放電的過沖電流保護， 同時可對鋰電池組的溫度進行監(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)開始運轉(zhuǎn)。
MCU可通過I2C接口與ISL9208進行通信， 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行保護， 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， 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)部集成了過流保護電路、短路保護、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。
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， 必須進行電平轉(zhuǎn)換和分壓。為了進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， 以達到防止過放電的目的。
(2) ISL9208的電流測量和過電流保護。
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將進入過流保護和短路保護模式。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。一旦溫度達到一定程度， 就必須使用外部散熱設(shè)備對電池組進行散熱， 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到一致， 也并不代表每個電池的容量就能達到一致。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)定值進行比對，以判斷是否需要進入保護狀態(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)的過放電保護電壓、過充電保護電壓、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行狀態(tài)下的電壓、電流和溫度等參數(shù)進行周期性測量。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)定值進行比較，如果超過上下限值， 則進入保護模式， 如無， 則進入均衡模式。
2.4 保護和均衡模塊
當(dāng)MCU判定系統(tǒng)進入保護模式時， 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)進行參數(shù)測試， 可以得到如下結(jié)果：
(1) 過充電保護電壓： 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)更大的擴展。