基于“飛電容“技術(shù)的動力鋰離子電池組保護系統(tǒng)

0 引 言

近年來，越來越多的鋰離子電池廠家加入到動力鋰離子電池的研發(fā)隊伍中，盡管動力鋰離子電池相對于鎳氫、鉛酸以及鎳鎘電池在比能量、體積、壽命、環(huán)保性等各方面都具有無可比擬的優(yōu)勢，而且它的規(guī)模應用也是大勢所趨，但電池組的成本、安全性等方面的因素仍然制約著動力鋰離子電池市場的擴大。鋰離子電池都需要配備電子保護系統(tǒng)，以防止電池出現(xiàn)過充或過放而發(fā)生爆炸，但由于各廠家制造動力鋰離子電池所采用的材料以及配方均不盡相同，致使電池的過充、過放保護電壓多種多樣，采用現(xiàn)有的鋰電單節(jié)或多節(jié)保護IC均不能滿足如此眾多的電壓需求。岡此，本文將介紹一種低成本、可靠、適應性廣的鋰離子電池組保護系統(tǒng)，以解決目前的困境。

1 鋰離子電池組保護系統(tǒng)功能

本文所介紹的鋰離子電池組保護系統(tǒng)是針對10節(jié)串聯(lián)的動力鋰離子電池組而設(shè)計，功能如下：

a)對電池組中每一節(jié)電池的端電壓進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)某一節(jié)電池電壓出現(xiàn)過充或過放，將切斷主回路開關(guān)。

b)保護系統(tǒng)的過充、過放等電壓保護值可由用戶任意設(shè)置，設(shè)置范圍為2.O V～4.5 V。

c)具有斷線保護功能。每個電池的正負極均有檢測線連接至保護系統(tǒng)，當電池組由于受震動等原因，檢測線出現(xiàn)斷路，保護系統(tǒng)能馬上發(fā)現(xiàn)并立即切斷主回路。目前基于單節(jié)或多節(jié)鋰電保護IC的設(shè)計方案，均不能進行斷線檢測。

d)具有過流及短路保護功能。當保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)負載出現(xiàn)短路或過流，將立即切斷放電主回路，直至負載撤除后，再恢復主回路開關(guān)。

2 "飛電容"檢測原理

圖1足"飛電容"的工作原理圖。

圖中：K1是雙刀雙擲開關(guān)，當K1切換至直流源信號Vi一側(cè)時，Vi對C1進行充電，經(jīng)過短暫的充電后，C1兩端的端電壓應該與Vi相同，此時把K1切換至Vo一側(cè)，由于電壓跟隨器的輸入阻抗無限大，而且C1有儲能作用，Vo應該與C1兩端的電壓相同，從而實現(xiàn)對Vi的測量。"飛電容"測量技術(shù)適合于對慢速變化的直流信號進行測量，動力鋰離子電池本身可以看做一個容值很大的電容，其端電壓的變化較緩慢，因此，該技術(shù)完全可用于動力鋰離子電池組的電壓測量，有效消除共模干擾。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

圖2為基于"飛電容"技術(shù)的動力鋰離子電池組保護系統(tǒng)的原理框圖。

該系統(tǒng)分為兩個單片機控制的子模塊，模塊1負責管理低端的7節(jié)鋰離子電池，模塊2負責管理高端的3節(jié)鋰離子電池，兩個模塊的"地"相互獨立，高端和低端兩個模塊通過輸出過充、過放控制信號，控制具有串聯(lián)關(guān)系的兩對開關(guān)(Ka1和Ka2、Kb1和Kb2)，實現(xiàn)對主回路充放電MOS管的控制。

系統(tǒng)中所用的單片機為MICROCHIIP公司的PIcl6F676單片機，該單片機功耗極低，具有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換通道，12個I/O引腳，1024字Flash程序存儲區(qū)，60字節(jié)SRAM，十分適合本系統(tǒng)的檢測控制。

模塊1中，由于每一個開關(guān)均要承受30 V以上的直流高壓，故4通道開關(guān)切換陣列用一片MAX309實現(xiàn)。MAX309是一片4選1、雙通道的多路開關(guān)，通過選址實現(xiàn)通道的選擇。開關(guān)KA(1～4)負責把電池的正極連接至"飛電容"C1的正極，開關(guān)KB(1～4)負責把電池負極連接至"飛電容"C1的負極。3通道開關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與4通道開關(guān)切換陣列類似，只是通道數(shù)少1路。工作時，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中一路電池的正負極與C1連接，對C1進行充電，然后斷開通道開關(guān)，接通到跟隨放大器的開關(guān)，單片機對電容C1的電壓進行快速檢測，由此完成了對一節(jié)電池的電壓檢測。若發(fā)現(xiàn)檢測電壓為OV，則可推斷出電 池可能發(fā)生短路、過放或保護系統(tǒng)到電池的檢測線斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復上述過程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的檢測。

模塊2中，由于管理的電池數(shù)只有3節(jié)，多路開關(guān)的耐壓只要能承受13 V以上即可，故選用價格較低的MC14051實現(xiàn)，控制原理與模塊1相同。

保護系統(tǒng)還設(shè)有過流及短路檢測比較器，通過檢測電流流過放電MOS管所產(chǎn)生的壓降，與基準電壓相比較后，單片機根據(jù)比較器的輸出電壓，得出是否發(fā)生短路或過流的判斷，在延時一段時間后，若過流或短路情況仍然存在，則馬上切斷放電回路，直至過流或短路負載撤除為止。

4 軟件設(shè)計

由于電池的電壓變化較慢，所以對電池電壓的監(jiān)控采取占空比為1：9的間歇性工作方式。圖3為主程序的處理流程圖。圖中，除了睡眠進程外，其余進程均為工作進程，工作進程只占1/10的時問，而睡眠進程占9/10的時間。

系統(tǒng)工作時的耗電是200μA，睡眠時的耗電是12μA，那么系統(tǒng)平均耗電將是30.8μA，系統(tǒng)的功耗可以大大降低。

另外，由于系統(tǒng)是由單片機程序進行控制，針對不同電壓要求的動力鋰離子電池，只需出廠前修改程序中電池的過充過放保護值，即可適應不同類型的鋰電保護要求。

5 結(jié)束語

動力鋰離子電池組的監(jiān)控是一個全新的課題，本文提出了一種低成本、低功耗、高可靠性以及適應性廣的鋰電保護系統(tǒng)設(shè)計方法，通過采用"飛電容"技術(shù)，實現(xiàn)了對電池組過充、過放保護以及斷線檢測等各種保護功能。