基于ISL9208的大容量鋰電池組系統電路設計

　　介紹了以ISL9208為核心的大容量鋰電池組管理系統的工作原理， 給出了通過ISL9208實現對電池組中單體電池的電壓、電流、溫度等參數的實時檢測， 并通過單片機對單體電池進行過壓、過流、欠壓、溫度保護以及充放電均衡的實現方法。

　　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的設計方法。該系統可實現鋰電池組中單體電池的電壓監測和過沖、過放保護， 以及鋰電池組充放電的過沖電流保護， 同時可對鋰電池組的溫度進行監控以保證每個電池最大200 mA的充電平衡電流。

　　系統硬件設計

　　本文給出的電池組管理系統的硬件如圖所示。圖2所示是其實際電路連接圖。

　　圖2 大容量鋰電池組管理電路

　　當系統接入外部負載或者充電器時， 使用一個外部開關將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則通過內置的3.3 V穩壓器從RGO口輸出3.3 V電壓來驅動控制芯片P87LPC768， 這樣，MCU上電后就可使整個系統開始運轉。MCU可通過I2C接口與ISL9208進行通信， 以設置好ISL9208的內部寄存器， 同時監控單體電池的電壓狀況， 并根據每個電池的具體參數判斷電池的狀態， 再通過均衡模塊對單體電池進行保護， 以防止過沖和過放。

　　控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是基于80C51加速處理器結構的小型OTP單片機， 它的性能是標準80C51MCU的兩倍， 并且價格低廉，易于成本控制。P87LPC768 內部集成有4KB 的OTP程序存儲器和可編程的I/O端口，4通道多路8位A/D轉換器和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公司生產的多節串鋰電池*流保護器件和微控制器模擬前端，可支持5~7節串聯電池組。它內部集成了過流保護電路、短路保護、內部3.3 V穩壓器、電芯平衡開關、電壓監測電平轉換器和I2C通信接口。ISL9208的內部結構如圖3所示。

　　圖3 ISL9208的內部結構圖。

　　ISL9208的電壓測量和充放電電壓保護

　　ISL9208通過VCELL1~7可直接測量每個電池的電壓， 但是， 每個電池的電壓都比穩壓器的電壓要高， 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測量和外部A/D轉換時， 必須進行電平轉換和分壓。為了進入外部電路要求的電壓范圍， 可用電平轉換器把電池電壓以VSS為基準都除以2。以使典型4.2 V的鋰電池在I/O口的電壓變為2.1 V輸出給外部。

　　ISL9208的電流測量和過電流保護

　　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。它們兩者的區別在于整合方式充放電電路共用一個電路， 而分離方式則分別用2個引腳檢測充放電電流， 充電時放電檢測停止， 反之亦然。本系統采用整合方案， 因此， CSENSE 引腳直接接地，DSENSE引腳則通過一個外接電阻來測量電壓，從而測量充放電電流。需要注意的是， 此時的參考地是DSREF引腳。

　　芯片內部溫度以及外部電池組的溫度測量和控制

　　芯片的內部過熱主要是由于內置均衡電流產生的熱能造成的， ISL9208自身集成有內部IC過熱后停止電池均衡的功能， 因此不需要外置電路來監控芯片自身的溫度。鋰電池的正常工作溫度范圍在0℃至50℃之間， 溫度過低， 電池將無法工作， 而過高則容易導致爆炸， 因此， 對電池組的溫度控制尤為重要。一旦溫度達到一定程度， 就必須使用外部散熱設備對電池組進行散熱， 超過警戒溫度應馬上中斷電路， 以保證安全。

　　本文給出了一種5~7節鋰電池串聯管理系統的設計方法。該方法結構簡單、精度適中， 能滿足大多數大容量鋰電儲能場合的管理需要。另外， 如果串聯的鋰電池數目更多， 也可以將多個ISL9208并聯， 以實現更大的擴展。