0 引言
鋰離子電池以其優異的性能在實際中得到了廣泛的應用。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， 使用不當極易造成人員財產損失。特別是在大容量的串聯鋰電池組的使用上， 必須設計和安裝相關的監測、控制設備， 以杜絕上述情況的發生。另外， 由于單體電池在生產過程中所存在的不一致性， 串聯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的設計方法。該系統可實現鋰電池組中單體電池的電壓監測和過沖、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控以保證每個電池最大200 mA的充電平衡電流。
1 系統硬件設計
本文給出的電池組管理系統的硬件結構如圖1所示。圖2所示是其實際電路連接圖。
圖1 系統硬件結構框圖.
圖2 大容量鋰電池組管理電路。
當系統接入外部負載或者充電器時， 使用一個外部開關將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則通過內置的3.3 V穩壓器從RGO口輸出3.3 V電壓來驅動控制芯片P87LPC768， 這樣，MCU上電后就可使整個系統開始運轉。
MCU可通過I2C接口與ISL9208進行通信， 以設置好ISL9208的內部寄存器， 同時監控單體電池的電壓狀況， 并根據每個電池的具體參數判斷電池的狀態， 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 公司生產的基于80C51加速處理器結構的小型OTP單片機， 它的性能是標準80C51MCU的兩倍， 并且價格低廉，易于成本控制。P87LPC768 內部集成有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公司生產的多節串鋰電池*流保護器件和微控制器模擬前端， 可支持5~7節串聯電池組。它內部集成了過流保護電路、短路保護、內部3.3 V穩壓器、電芯平衡開關、電壓監測電平轉換器和I2C通信接口。ISL9208的內部結構如圖3所示。
圖3 ISL9208的內部結構圖。
(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轉換時， 必須進行電平轉換和分壓。為了進入外部電路要求的電壓范圍， 可用電平轉換器把電池電壓以VSS為基準都除以2。以使典型4.2 V的鋰電池在I/O口的電壓變為2.1 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， 并與初始設定值相比較， 如果大于初始設定值， 則MCU通過控制ISL9208的CFET引腳電壓， 可使外置的N道溝FET關斷， 以使充電停止， 從而保護電池組。
而在放電過程中， 當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DSENSE的測量電壓超過設定值且時間超過設定延時時， 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， 系統也通過控制DFET引腳的電壓來關斷外部FET以達到控制之目的。
由于本設計針對的是大容量的鋰電池串聯使用的場合， 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定性較好的IRF540NS。
(3) 芯片內部溫度以及外部電池組的溫度測量和控制。
芯片的內部過熱主要是由于內置均衡電流產生的熱能造成的， ISL9208自身集成有內部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備對電池組進行散熱， 超過警戒溫度應馬上中斷電路， 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， 當電壓下降到設定門限值時， 表示外部過熱， 此時MCU將中斷電路并啟動散熱設備， 以等待電池組散熱， 恢復正常溫度。TEMPI的電壓可以通過AO口， 通過MCU設置多路復用器來實現對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。實際設計是采用CB1~7引腳， 并通過內部的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， 并可以根據分流電阻下調均衡電流的大小。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致內部IC過熱而中斷充放電。
2 系統軟件設計
本系統的軟件部分是通過MCU實現周期性測量各個參數， 并與初始化時的設定值進行比對，以判斷是否需要進入保護狀態或者平衡狀態。整個系統的軟件可采用模塊化設計方法。
2.1 系統初始化模塊
系統初始化模塊主要完成對ISL9208的初始化， 主要設定系統的過放電保護電壓、過充電保護電壓、過放電電流、DFET和CFET引腳的狀態、以及TEMP3V溫度模塊等。
2.2 參數測量模塊
參數測量模塊主要用于對鋰電池運行狀態下的電壓、電流和溫度等參數進行周期性測量。因為各個參數都已經設置好了測量方法， 所以， 只要MCU通過I2C通信接口向ISL9208的SDA引腳發出指令， 修改ISL9208內部多路復用器的寄存器(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 狀態判斷模塊
經過參數測量模塊所得到的測量值經過適當的轉換， 再由MCU將其與初始設定值進行比較，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MCU判定系統進入保護模式時， MCU可通過設置ISL9208的FET Control寄存器(地址： 04H)后兩位的值來實現對外部FET的控制。
如果周期性測量的各個參數都符合正常工作范圍的要求， 那么則進入充放電均衡模式。若以當下電池組中電壓最低的那個電池的電壓為基準， 均衡范圍為±50 mV (均衡的相差電壓可根據實際需要通過電阻調節)， 那么， 就可據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) 寄存器的值來實現對CB1~7引腳電壓的控制， 以開啟或關閉每個電池的均衡模塊。
本系統的主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖。
3 測試結果
通過仿真電路對整個系統進行參數測試， 可以得到如下結果：
(1) 過充電保護電壓： 4.2 V±25 mV； 過充電恢復電壓： 4.0 V±25 mV。
(2) 過放電保護電壓： 2.7 V±25 mV； 過放電恢復電壓： 3.0 V±25 mV。
(3) 單體電池的均衡電壓： 50 mV (可以根據實際需要進行修改) 具體的電流參數如表1所列。
表1 電流參數測試結果。
4 結束語
本文給出了一種5~7節鋰電池串聯管理系統的設計方法。該方法結構簡單、精度適中， 能滿足大多數大容量鋰電儲能場合的管理需要。另外， 如果串聯的鋰電池數目更多， 也可以將多個ISL9208并聯， 以實現更大的擴展。