基于ISL9208的大容量鋰電池組系統設計

引言

　　鋰離子電池以其優異的性能在實際中得到了廣泛的應用。隨著電池制造水平的提高， 鋰電池的安全性能逐步提高， 價格也不斷下降， 因此，在一些大容量儲能設備中， 也越來越多地使用鋰電池作為電源。

　　鋰電池自身對充放電的要求很高， 一旦過沖很容易引起爆炸， 而過放則會造成電池的永久損壞， 因此， 使用不當極易造成人員財產損失。特別是在大容量的串聯鋰電池組的使用上， 必須設計和安裝相關的監測、控制設備， 以杜絕上述情況的發生。另外， 由于單體電池在生產過程中所存在的不一致性， 串聯使用之后的多次充放電會加劇這種不一致性， 從而極大地影響整個電池組的壽命， 因此， 電池組的均衡控制極為重要。

　　為此， 本文使用Intersil公司的鋰電池微控模擬前端芯片ISL9208和Philips公司的小型封裝系列控制芯片P87LPC768 (OTP單片機) 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。

　　1 系統硬件設計

　　本文給出的電池組管理系統的硬件結構如圖1所示。圖2所示是其實際電路連接圖。

圖1 系統硬件結構框圖.

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。

　　1.1 控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是Philips 公司生產的基于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。

　　1.2 ISL9208

　　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。

　　(1) 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。

　　在充電過程中， MCU將周期性地測量每個單體電池的電壓， 并與初始設定值相比較， 如果大于初始設定值， 則MCU通過控制ISL9208的CFET引腳電壓， 可使外置的N道溝FET關斷， 以使充電停止， 從而保護電池組。

　　而在放電過程中， 當MCU檢測到任何一個電池欠電壓時， 同樣可對ISL9208寫入一個控制位，以控制DFET引腳的電壓并關斷外部FET， 以達到防止過放電的目的。

　　(2)