基于ISL9208的大容量鋰電池組系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　介紹了以ISL9208為核心的大容量鋰電池組管理系統(tǒng)的工作原理， 給出了通過(guò)ISL9208實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中單體電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)， 并通過(guò)單片機(jī)對(duì)單體電池進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、溫度保護(hù)以及充放電均衡的實(shí)現(xiàn)方法。

　　為此， 本文使用Intersil公司的鋰電池微控模擬前端芯片ISL9208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(jì)方法。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鋰電池組中單體電池的電壓監(jiān)測(cè)和過(guò)沖、過(guò)放保護(hù)， 以及鋰電池組充放電的過(guò)沖電流保護(hù)， 同時(shí)可對(duì)鋰電池組的溫度進(jìn)行監(jiān)控以保證每個(gè)電池最大200 mA的充電平衡電流。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文給出的電池組管理系統(tǒng)的硬件如圖所示。圖2所示是其實(shí)際電路連接圖。

　　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(shí)， 使用一個(gè)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(guò)內(nèi)置的3.3 V穩(wěn)壓器從RGO口輸出3.3 V電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)控制芯片P87LPC768， 這樣，MCU上電后就可使整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。MCU可通過(guò)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(shí)監(jiān)控單體電池的電壓狀況， 并根據(jù)每個(gè)電池的具體參數(shù)判斷電池的狀態(tài)， 再通過(guò)均衡模塊對(duì)單體電池進(jìn)行保護(hù)， 以防止過(guò)沖和過(guò)放。

　　控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是基于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(jià)格低廉，易于成本控制。P87LPC768 內(nèi)部集成有4KB 的OTP程序存儲(chǔ)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。

　　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(guò)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(cè)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。

　　ISL9208的電壓測(cè)量和充放電電壓保護(hù)

　　ISL9208通過(guò)VCELL1~7可直接測(cè)量每個(gè)電池的電壓， 但是， 每個(gè)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(cè)量和外部A/D轉(zhuǎn)換時(shí)， 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。

　　ISL9208的電流測(cè)量和過(guò)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(gè)電路， 而分離方式則分別用2個(gè)引腳檢測(cè)充放電電流， 充電時(shí)放電檢測(cè)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(guò)一個(gè)外接電阻來(lái)測(cè)量電壓，從而測(cè)量充放電電流。需要注意的是， 此時(shí)的參考地是DSREF引腳。

　　芯片內(nèi)部溫度以及外部電池組的溫度測(cè)量和控制

　　芯片的內(nèi)部過(guò)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(guò)熱后停止電池均衡的功能， 因此不需要外置電路來(lái)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(guò)低， 電池將無(wú)法工作， 而過(guò)高則容易導(dǎo)致爆炸， 因此， 對(duì)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(duì)電池組進(jìn)行散熱， 超過(guò)警戒溫度應(yīng)馬上中斷電路， 以保證安全。

　　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(jì)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度適中， 能滿足大多數(shù)大容量鋰電儲(chǔ)能場(chǎng)合的管理需要。另外， 如果串聯(lián)的鋰電池?cái)?shù)目更多， 也可以將多個(gè)ISL9208并聯(lián)， 以實(shí)現(xiàn)更大的擴(kuò)展。