5至7串联锂电池组的电池平衡和过流保护方案

    1．概述

    近年来，随着锂电产业的迅速发展，越来越多的产品如电动工具、医疗系统、电动汽车和可携式测试设备等开始采用锂电池作为其主要电源。锂离子电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应、体积小、重量轻及无公害等优点，已逐渐替代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，成为动力电池的主流。

    锂电池组通常由几个电池串联构成锂电池包，该组合方式即可同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器、电动工具及工业应用所需的电压和功率要求。对于锂电池组，由于单节电池间存在容量、内阻上的差别，其各节电池充放电的速度不一致，在充电过程中，有些电池较易充电：在放电过程中，有些电池也较易放电；同时低容量的电池充放电速度比高容量电池快。而且不同厂家生产的电芯一般容量会有所不同，即使是同一厂家生产的同一批产品，各单节电芯间的容量也会有所差别。对于串联电池组，当各单节电池间存在不平衡时，电池组的实际使用将使各单节电池间的不平衡加剧，因而使各单节电池容量差别进一步加大。

    另外单个锂离子电池存在着最大充电电压的限制，单个锂离子电池放电不能低于特定的电压，如果对充电电压没有限制，低容量电池会过冲，导致损坏。当某个电池芯的电压达到最大允许电压时，必须停止充电：当某个电池芯的电压达到最小允许电压时，必须停止放电。

    因此，如果只对单个电池做简单串联并进行过压与低压保护，电池包必有一部分容量将不能利用到，如下图所示。

    基于以上分析，为发挥电池包的最大功效，电池平衡性能即很有必要。

    2．单芯片ISL9208的特点

    InterSIL公司发布的电池平衡和过流保护的单芯片ISL9208是目前业内第一种实现多芯锂电池组平衡和过流保护的集成模拟前端，可应用于5～7个18V～28V的电池组。ISL9208可以取代一些设计中多达17个FET、12个二极管、53个电阻和31个电容，大大地简化了从电动工具到混合动力汽车等采用多芯电池组供电的应用设计。

    ISL9208单芯片实现了电池平衡和保护电池组防止高电流的情况。电池平衡使得微控制器保持了各个电池芯容量的匹配，提高了电池组的工作时间，延长了电池寿命。其内置的3.3V电压调节器减少了元件数量，同时为微控制器提供电源，具有检测短路和过流情况，需要时可自动关断FETs电源，提供关键保护功能。ISL9208功能框图如下图所示，各管脚功能说明见表1所示。

管脚名称     描述   VC7NCC  Ce117Ncc正极输入电源，监测电芯电压并在AO脚输出，同时提供IC工作电压   VCELLN  cellN电压输入端，监测CELL N的电压并在AO脚输出，VCELLN连接到CELLN的正极和CELLN+1的负极 CBN 电芯平衡FETS控制脚，内部FET在充电时绕过电芯分流小部分电流，或者在放电时从电芯拉电流，即执行电芯平衡操 作，该功能可以减少单个电芯的电压，平衡FETS由外部控制器开启或者关闭 VSS 接地，连接到电池串的负极  DSREF 放电检测电流参考地，提供充电和放电电流检测电路的独立参考地，在大电流负载时，输入端提供独立的接地点，使接 地压降最小化，通常直接连接到VSS   DSENSE   放电电流检测脚，通过电压检测放电电流，即检测一个感应电阻的电压或DFET两端的电压或带电流检测脚的FET，测 量的电压可以作为DSREF参考地   充电电流检测脚，通过检测一个电压检测充电电流，可以检测感应电阻电压，或者CFET电压或者带电流检测FET，测   CSENSE     量的电压作为VSS参考地   控制FET放电，功率FET为N沟道，仅仅只能被微控制器开启，FET也能被微控制器关闭，但是在过流和短路时 DFET ISL9208会自动关闭FET，若徼控制器检测到任何一个电芯欠电压，也可通过写一个控制位控制该输出口立即关断   FET   控制CFET的门极，功率FET必须是N沟道装置，只能被微控制器开启，FET也能可被微控制器关闭，在过电流时 CFET     ISL9208即可关闭FET，或微控制器检测到过电压，可通过写控制位关断FET控制输入   放电负载检测，在过流状态下，将一内部电阻连接到VMON和VSS之间，当FET因为负载保持时，VMON电压接近   VMON     VCC电压；当负载解除时，VMON电压下降到过流和短路状态时对应在门限值以下，同时LDFAIL标志位清零，恢复操作 AO 模拟多路输出，供外部微控制器检测电芯电压和温度感应电压，微控制器通过写一个控制寄存器选择特定电压   温度检测输出控制，该引脚输出一电压以供一固定电阻和一热敏电阻所组成的分压电路使用。热敏电阻紧挨着电芯，   TEMP3V TEMP3V在测量温度时通过一个内部PMOS开关连接到RGO，不工作时TEMP3V输出关闭，TEMP3V可以通过一个   特定的控制位持续开启   TEMPI   温度检测输入，输入测量电芯温度热敏电阻的电压。当输入电压下降到TEMP3V/13时，表示外部过热，TEMPI的电压 通过一个模拟多路器由AO口输出，同时微控制器可检测到电芯的温度．   定电压输出。该引脚连接到一个外部NPN三极管的发射极和RGC脚，提供3.3V稳压，同时将电压反馈到稳压器，提 RGO     供ISL9208内部电路以及微控制器和其它外部电路的电源 RGC 稳压输出控制，该引脚连接到外部NPN的基极，为RGO脚提供3.3V稳压   唤醒功能，该输入脚在电压超过开启门限时唤醒，条件由WKUP位设定，当WKPOL=“1”时，上升沿唤醒，WKUP位高   WKUP     电平且WKUP电压大于门限；当WKPOL=“0”时，下降沿唤醒，WKUP位高电平且WKUP电压小于门限 SDA 串行数据口，IIC接口双向数据线 SCL 串行时钟口，IIC串行通讯时钟口

    ISL9208芯片特点如下：①软件可选的过流保护电压和过流保护时间；②自动FET关断电池和IC内部过热时的电芯平衡禁止；③过流检测可以使用感应电阻、FETRds或感应FET；④集成带200μA开启电流和150mA关断电流的充放电FET驱动电路：⑤精确度10%的3.3V稳压器，最小25mA输出，带电流增益70的外部NPN晶体管；⑥在100μs内稳定监测电芯电压的输出；⑦内部电芯平衡功能，FET对每个电芯控制200mA平衡电流输出：平衡电芯数量受芯片封装最大功率耗散400mW的限制；⑧＜10μA的休眠模式；⑨无铅(RoHS)。

    3．ISL9208方案应用

    本方案采用ISL9208+PIC16F684+IRF540NS架构组成，微控制器采样各个电池电压值，通过IIC通信控制ISL9208对电池进行分流/放电，以解决串联电池组由于单节电池电压、容量、内阻的不完全一致及在使用中因化学特性变化所造成每节电池电压差异的问题，实现电池电压的均衡，同时也实现对单节电池进行必要的保护及电池包的保护，IRF540NS提供高至33A的大电流。

    方案特性如下：①内置高精度电压检测电路；②过充电保护电压4.2V±25mV，过充电恢复电压4.0V±25mV，放电保护电压2.75V±25mV，过放电恢复电压3.0V±25mV；③睡眠电压2.5V±25mV，睡眠静态电流10μA；④耐高压元件，绝对最大值36V；⑤宽工作电压范围9.2V-30.1V，电池平衡电压50mV；⑥以最低电池电压为参考，误差超过50mV的电池都进行均衡，均衡电流约lOOmA；⑦温度保护，摄氏O～50℃；允许充电，摄氏0～70℃；允许放电；⑧睡眠状态：电池包空载并无外接充电器，2分钟后进入睡眠；⑨充电唤醒，放电唤醒、放电维持电流大于200mAa电流参数如下表所示。

    控制流程如下图所示。

    电路原理图如下图所示。

    其中，J2为电池连接接口，电池节数通过拨码开关选择确定。当连接负载或充电器时，WKUP脚通过其外围电路将WKUP管脚拉低，从而将ISL9208唤醒；ISL9208唤醒后，RGO输出3.3V电压供MCU及外部电路工作；MCU上电，系统启动；当MCU检测到充电器和负载移去后，MCU通过IIC使ISL9208进入SLEEP状态，RGO输出关闭，系统停止工作。

   4．小结

    本文简单介绍了锂电池的发展状况，论述了锂电池组平衡的必要性，同时介绍了Intersil公司电池平衡芯片ISL9208的基本架构及外围接口：详细介绍了贝能公司基于ISL9208单芯片开发的电池平衡方案，本方案适用于5～7节串联锂离子/锂聚合物可充电电池组，也适用于5～7节串联磷酸铁锂电池组。

本文关键字：电池  平衡  电池技术，电源动力技术 - 电池技术