利用多節(jié)電池監(jiān)視器IC盡量地延長(zhǎng)可再充電電池組的循環(huán)壽命

如果允許任何一節(jié)或幾節(jié)電池過度放電，那么可再充電電池組的性能就會(huì)過早地發(fā)生劣化。當(dāng)電池組變至完全放電狀態(tài)時(shí)，最弱的那一節(jié)或幾節(jié)電池的 ILOAD?RINTERNAL 電壓降將會(huì)超過內(nèi)部 VCELL 化學(xué)電勢(shì)，而且電池端子電壓將變至負(fù)值 (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓)。在這種情況下，不可逆的化學(xué)過程將開始，從而改變起初提供電池的電荷存儲(chǔ)能力的內(nèi)部材料特性，因此該節(jié)電池隨后的充電周期將不會(huì)保持原始內(nèi)能。此外，一旦某節(jié)電池被損壞，則它在后續(xù)使用過程中遭受極性反轉(zhuǎn)的可能性較大，進(jìn)而導(dǎo)致問題的惡化并急速縮短電池組的有效循環(huán)壽命。

當(dāng)采用基于鎳的電池化學(xué)組成時(shí)，一組串接電池的過度放電不一定會(huì)造成某種安全危害，但是，早在用戶察覺到性能的任何顯著下降之前時(shí)常會(huì)發(fā)生一節(jié)或多節(jié)電池遭受極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。到那個(gè)時(shí)候再來修復(fù)電池組就太遲了。當(dāng)采用能量存儲(chǔ)密度更高的鋰電池化學(xué)組成時(shí)，作為一項(xiàng)針對(duì)過熱或火情的安全措施，極性反轉(zhuǎn)是必須加以防止的。于是，對(duì)于確保長(zhǎng)久的電池組壽命 (以及使用鋰電池時(shí)的安全性) 來說，監(jiān)視各節(jié)電池的電壓是絕對(duì)必要的。

不妨考慮使用 LTC6801，這是一款專為應(yīng)對(duì)上述特定問題而開發(fā)的集成解決方案。LTC6801 能夠檢測(cè)多達(dá) 12 個(gè)串接電池組電池的過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況，并利用可級(jí)聯(lián)的互連線來處理擴(kuò)展的器件鏈，所有這些均無需借助任何的微處理器支持。

LTC6801 的特點(diǎn)

操作模式和可編程門限電平通過引腳搭接來設(shè)定?？商峁?9 種 UV 設(shè)定值 (從 0.77V 至 2.88V) 和 9 種 OV 設(shè)定值 (從 3.7V 至 4.5V)。監(jiān)視的電池?cái)?shù)目可設(shè)定在 4 至 12 之間，而采樣速率可設(shè)定為 3 種不同的速度之一，旨在優(yōu)化功耗與檢測(cè)時(shí)間之間的關(guān)系。另外還提供了 3 種不同的遲滯設(shè)定值，以適應(yīng)報(bào)警恢復(fù)功能電路的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

為了支持串接電池的擴(kuò)展配置，故障信令通過在一個(gè)“堆疊”器件鏈中進(jìn)行電流隔離差分時(shí)鐘信號(hào)的雙向傳遞來發(fā)送，因而對(duì)施加在電池組上的負(fù)載噪聲提供了出色的免疫力。器件鏈中任何檢測(cè)到故障的器件都將中斷其輸出時(shí)鐘信號(hào)，于是，整個(gè)器件鏈中的任何故障指示均將傳播至堆棧中的“末端”器件。時(shí)鐘信號(hào)由一個(gè)專用 IC (例如：LTC6906) 或一個(gè)主控微處理器 (如果需要使用一個(gè)的話) 在堆棧的末端產(chǎn)生，并在情況正常時(shí)完整地通過器件鏈進(jìn)行循環(huán)。

在許多應(yīng)用中，LTC6801 都被用作諸如 LTC6802 等更加精細(xì)復(fù)雜的采集系統(tǒng)的一個(gè)備用監(jiān)視器 (例如：在混合動(dòng)力汽車中)。不過，它也非常適合用作面向較低成本產(chǎn)品 (比如：便攜式工具和后備電源) 的獨(dú)立型解決方案。由于 LTC6801 直接從它所監(jiān)視的電池獲取其工作電源，因此每個(gè)器件的可用電池電壓范圍因電池的化學(xué)組成而改變，旨在提供運(yùn)行該器件所需的電壓 —— 從大約 10V 至高達(dá) 50V 以上。該電壓范圍支持將 4~12 節(jié)鋰離子電池或 8~12 節(jié)鎳電池堆疊成組來使用。如圖 1 所示，采用 LTC6801 來監(jiān)視一個(gè)鎳電池組 (含 8 節(jié)鎳電池) 并保護(hù)其免遭過度放電式的不當(dāng)使用是非常簡(jiǎn)單的。請(qǐng)注意，盡管只有一個(gè)欠壓報(bào)警和鎳電池化學(xué)組成有關(guān)，但由于存在 OV 情況，因此在充電操作期間仍將對(duì)電池組供電連續(xù)性故障進(jìn)行檢測(cè)。

圖 1

避免電池反向

在基于鎳的傳統(tǒng)多節(jié)電池的電池組中，電池反向是一種主要的損壞機(jī)理，而且實(shí)際上早在其他明顯的電荷耗盡癥狀出現(xiàn)之前就有可能發(fā)生。

以下面的情形為例。一個(gè)含 8 節(jié)鎳鎘電池 (NiCd) 的電池組正在對(duì)諸如鉆孔器等手工工具進(jìn)行供電。普通用戶會(huì)使用鉆孔器直到其速度減緩至其初始速度的大概 50% 為止，這意味著標(biāo)稱電壓為 9.6V 的電池組在加載運(yùn)作之后下降至約 5V。假設(shè)各節(jié)電池完全匹配 (如圖 2 中左側(cè)的略圖所示)，則意味著每節(jié)電池的電壓已經(jīng)運(yùn)行到低至 0.6V 左右，這對(duì)于各節(jié)電池而言是可以接受的。然而，如果在電池中存在失配 (致使其中或許有 5 節(jié)電池的電壓仍在 1.0V 以上)，則其他 3 節(jié)電池的電壓將低于 0V 并經(jīng)受一個(gè)反向應(yīng)力，如位于圖 2 中央的略圖所示。

圖 2

即使假設(shè)電池組中只有一節(jié)弱電池 (一種現(xiàn)實(shí)的情形)，如圖 2 中的右側(cè)略圖所示，第一個(gè)電池反向也很有可能在電池組電壓仍為 8V 或更高時(shí)發(fā)生，而僅能感知細(xì)微的電池組供電能力下降。由于實(shí)際上不可避免地存在的電池失配，用戶會(huì)在無意之中定期反轉(zhuǎn)電池，因而縮減了其電池組的容量和壽命。所以，一種能夠及早地檢測(cè)出某節(jié)電池電量耗盡的電路可為用戶提供重要的價(jià)值。

采用 LTC6801解決方案

LTC6801 的最低可用 UV 設(shè)定值 (0.77V) 非常適合于檢測(cè)鎳電池組的電量耗盡。圖 1 示出了一個(gè)被用作負(fù)載斷接裝置的 MOSFET 開關(guān)，該 MOSFET 開關(guān)受控于 LTC6801 的輸出狀態(tài)。當(dāng)一節(jié)電池的電量耗盡、而且其電位降至門限以下時(shí)，則將負(fù)載拿掉，這樣就可以避免電池反向及其造成的性能劣化影響。它還允許從電池組安全地獲取最大的能量，因?yàn)椴⑽淳碗姵氐南鄬?duì)匹配做任何假設(shè)，而在采用一個(gè)過分保守的單電池組電位門限函數(shù)時(shí)則有可能需要進(jìn)行這樣的假設(shè)。

一個(gè) 10kHz 時(shí)鐘由 LTC6906 硅振蕩器產(chǎn)生，而且 LTC6801 輸出狀態(tài)信號(hào)被檢測(cè)和用于控制負(fù)載斷接動(dòng)作。由于本例不涉及器件的堆疊，因此可級(jí)聯(lián)的時(shí)鐘信號(hào)被簡(jiǎn)單地回送，而不是傳遞至另一個(gè) LTC6801。一個(gè) LED 用于提供“可向負(fù)載供電”的視覺指示。當(dāng)開關(guān)開路時(shí)，弱電池的電壓往往略有恢復(fù)，而 LTC6801 將重新啟動(dòng)負(fù)載開關(guān) (采用 0.77V 欠壓設(shè)定值時(shí)無遲滯)。這種數(shù)字負(fù)載限制動(dòng)作的循環(huán)速率取決于 DC 引腳的配置；在最快速響應(yīng)模式中 (DC = VREG)，輸送的負(fù)載功率的占空比下降并遞減至零，而當(dāng)最弱的電池安全地到達(dá)一種完全放電狀態(tài)時(shí)，脈動(dòng)變得明顯且較為緩慢。

在某些應(yīng)用中，當(dāng)最弱的電池接近完全放電狀態(tài)時(shí) (如圖 1 所示)，自動(dòng)中斷負(fù)載是不能接受的。對(duì)于這些情況，圖 3 給出的電路或許是一種上佳的替代方案。該電路并不強(qiáng)制某種負(fù)載干預(yù)，而是簡(jiǎn)單地提供了一種用于告知電池電量接近耗盡的聲音報(bào)警指示。這里，LED 提供了這樣一條指示，即：“報(bào)警電路處于運(yùn)行狀態(tài)且沒有電池耗盡”。

圖 3

當(dāng)不存在源時(shí)鐘時(shí)，將調(diào)用一種 LTC6801 空閑模式，功耗隨后將降低至微乎其微的 30μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電池組的典型自放電電流。在圖 1 和圖 3 這兩幅圖中，所示的電路均具有一個(gè)負(fù)責(zé)停用振蕩器 (及其他外圍電路) 的開關(guān)，以在不使用電路時(shí)將其置于空閑模式，從而盡可能地減少電池的消耗。

結(jié)論

LTC6801 能同時(shí)監(jiān)視一個(gè)多節(jié)電池的電池組中多達(dá) 12 個(gè)單獨(dú)的電池，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)電池組容量和壽命的最大化。也可以將多個(gè) LTC6801 級(jí)聯(lián)起來使用以支持較大的電池組。該器件具有高集成度、可配置性和經(jīng)過深思熟慮的特點(diǎn)，包括一種用于最大限度地減少待用期間電池組消耗的空閑模式。這令 LTC6801 成為一款適用于改善電池供電型產(chǎn)品的性能和可靠性的緊湊型解決方案。