利用多節(jié)電池監(jiān)視器IC盡量地延長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過早地發(fā)生劣化。當電池組變至完全放電狀態(tài)時，最弱的那一節(jié)或幾節(jié)電池的 ILOAD?RINTERNAL 電壓降將會超過內(nèi)部 VCELL 化學電勢，而且電池端子電壓將變至負值 (相對于標準電壓)。在這種情況下，不可逆的化學過程將開始，從而改變起初提供電池的電荷存儲能力的內(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，進而導致問題的惡化并急速縮短電池組的有效循環(huán)壽命。

當采用基于鎳的電池化學組成時，一組串接電池的過度放電不一定會造成某種安全危害，但是，早在用戶察覺到性能的任何顯著下降之前時常會發(fā)生一節(jié)或多節(jié)電池遭受極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。到那個時候再來修復電池組就太遲了。當采用能量存儲密度更高的鋰電池化學組成時，作為一項針對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，對于確保長久的電池組壽命 (以及使用鋰電池時的安全性) 來說，監(jiān)視各節(jié)電池的電壓是絕對必要的。

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

LTC6801 的特點

操作模式和可編程門限電平通過引腳搭接來設定。可提供 9 種 UV 設定值 (從 0.77V 至 2.88V) 和 9 種 OV 設定值 (從 3.7V 至 4.5V)。監(jiān)視的電池數(shù)目可設定在 4 至 12 之間，而采樣速率可設定為 3 種不同的速度之一，旨在優(yōu)化功耗與檢測時間之間的關系。另外還提供了 3 種不同的遲滯設定值，以適應報警恢復功能電路的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

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

在許多應用中，LTC6801 都被用作諸如 LTC6802 等更加精細復雜的采集系統(tǒng)的一個備用監(jiān)視器 (例如：在混合動力汽車中)。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，因此每個器件的可用電池電壓范圍因電池的化學組成而改變，旨在提供運行該器件所需的電壓 —— 從大約 10V 至高達 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)視一個鎳電池組 (含 8 節(jié)鎳電池) 并保護其免遭過度放電式的不當使用是非常簡單的。請注意，盡管只有一個欠壓報警和鎳電池化學組成有關，但由于存在 OV 情況，因此在充電操作期間仍將對電池組供電連續(xù)性故障進行檢測。

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理，而且實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。一個含 8 節(jié)鎳鎘電池 (NiCd) 的電池組正在對諸如鉆孔器等手工工具進行供電。普通用戶會使用鉆孔器直到其速度減緩至其初始速度的大概 50% 為止，這意味著標稱電壓為 9.6V 的電池組在加載運作之后下降至約 5V。假設各節(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)運行到低至 0.6V 左右，這對于各節(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)受一個反向應力，如位于圖 2 中央的略圖所示。

圖 2

即使假設電池組中只有一節(jié)弱電池 (一種現(xiàn)實的情形)，如圖 2 中的右側(cè)略圖所示，第一個電池反向也很有可能在電池組電壓仍為 8V 或更高時發(fā)生，而僅能感知細微的電池組供電能力下降。由于實際上不可避免地存在的電池失配，用戶會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出某節(jié)電池電量耗盡的電路可為用戶提供重要的價值。

采用 LTC6801解決方案

LTC6801 的最低可用 UV 設定值 (0.77V) 非常適合于檢測鎳電池組的電量耗盡。圖 1 示出了一個被用作負載斷接裝置的 MOSFET 開關，該 MOSFET 開關受控于 LTC6801 的輸出狀態(tài)。當一節(jié)電池的電量耗盡、而且其電位降至門限以下時，則將負載拿掉，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，因為并未就電池的相對匹配做任何假設，而在采用一個過分保守的單電池組電位門限函數(shù)時則有可能需要進行這樣的假設。

一個 10kHz 時鐘由 LTC6906 硅振蕩器產(chǎn)生，而且 LTC6801 輸出狀態(tài)信號被檢測和用于控制負載斷接動作。由于本例不涉及器件的堆疊，因此可級聯(lián)的時鐘信號被簡單地回送，而不是傳遞至另一個 LTC6801。一個 LED 用于提供“可向負載供電”的視覺指示。當開關開路時，弱電池的電壓往往略有恢復，而 LTC6801 將重新啟動負載開關 (采用 0.77V 欠壓設定值時無遲滯)。這種數(shù)字負載限制動作的循環(huán)速率取決于 DC 引腳的配置；在最快速響應模式中 (DC = VREG)，輸送的負載功率的占空比下降并遞減至零，而當最弱的電池安全地到達一種完全放電狀態(tài)時，脈動變得明顯且較為緩慢。

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

圖 3

當不存在源時鐘時，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，遠遠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負責停用振蕩器 (及其他外圍電路) 的開關，以在不使用電路時將其置于空閑模式，從而盡可能地減少電池的消耗。

結(jié)論

LTC6801 能同時監(jiān)視一個多節(jié)電池的電池組中多達 12 個單獨的電池，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 LTC6801 級聯(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，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。