基于飛電容技術(shù)的動力鋰離子電池組保護(hù)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(yīng)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(kuò)大。鋰離子電池都需要配備電子保護(hù)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(hù)電壓多種多樣，采用現(xiàn)有的鋰電單節(jié)或多節(jié)保護(hù)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(yīng)性廣的鋰離子電池組保護(hù)系統(tǒng)，以解決目前的困境。

1 鋰離子電池組保護(hù)系統(tǒng)功能

本文所介紹的鋰離子電池組保護(hù)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(jìn)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(hù)系統(tǒng)的過充、過放等電壓保護(hù)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(hù)功能。每個電池的正負(fù)極均有檢測線連接至保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)電池組由于受震動等原因，檢測線出現(xiàn)斷路，保護(hù)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(hù)IC的設(shè)計方案，均不能進(jìn)行斷線檢測。

d)具有過流及短路保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)負(fù)載出現(xiàn)短路或過流，將立即切斷放電主回路，直至負(fù)載撤除后，再恢復(fù)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(dāng)K1切換至直流源信號Vi一側(cè)時，Vi對C1進(jìn)行充電，經(jīng)過短暫的充電后，C1兩端的端電壓應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(hù)系統(tǒng)的原理框圖。

該系統(tǒng)分為兩個單片機(jī)控制的子模塊，模塊1負(fù)責(zé)管理低端的7節(jié)鋰離子電池，模塊2負(fù)責(zé)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(jī)為MICROCHIIP公司的PIcl6F676單片機(jī)，該單片機(jī)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(fù)責(zé)把電池的正極連接至飛電容C1的正極，開關(guān)KB(1～4)負(fù)責(zé)把電池負(fù)極連接至飛電容C1的負(fù)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(jī)發(fā)出通道選址信號，讓其中一路電池的正負(fù)極與C1連接，對C1進(jìn)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(jī)對電容C1的電壓進(jìn)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(hù)系統(tǒng)到電池的檢測線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過程，單片機(jī)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(hù)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(zhǔn)電壓相比較后，單片機(jī)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(fù)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(jìn)程外，其余進(jìn)程均為工作進(jìn)程，工作進(jìn)程只占1/10的時問，而睡眠進(jìn)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(jī)程序進(jìn)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(hù)值，即可適應(yīng)不同類型的鋰電保護(hù)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(yīng)性廣的鋰電保護(hù)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(hù)以及斷線檢測等各種保護(hù)功能。