電池組的保護及監(jiān)視器和電量計在電池組中的作用

　　圖1：基于功能和串聯(lián)電池節(jié)配置的電池組選型指南

　　在為便攜式應用選擇鋰離子電池組時，不論是智能手表還是電動自行車，這項任務并不像它看起來那么讓人望而怯步。鋰離子電池組有3個基本功能：保護、監(jiān)視和電量計量。這3個功能通常由單個器件處理；然而，某些器件能夠用集成度更高的解決方案來實現(xiàn)多個功能。事實上，由合適組件組成的電池組和這3個功能將提高系統(tǒng)性能、提供更多保護，并且能夠實現(xiàn)更長的運行時間。本文第一部分將深入探討電池保護。連同下面給出的信息，你一定要看一看圖1的選型指南，以幫助你根據(jù)電池的大小來選擇正確的器件，在這里1S表示1 = 1節(jié)串聯(lián)，2S = 2節(jié)串聯(lián)，等等。

　　保護

　　電池組器件包含多種特性；然而，保護是它們的主要功能，在選擇器件時應該將其作為主要考慮因素。有兩種不同的保護類型：

　　·電壓保護由內(nèi)部比較器組成，它們持續(xù)測量單個電池節(jié)的電壓，將其與過壓 （OV） 和欠壓 （UV） 閥值相比較。電壓保護被認為是第一級保護，并且是任一鋰離子電池組所必須具有的保護功能。

　　·電流保護的工作方式與電壓保護相似，不過它有一個計算流經(jīng)電池組電流的感測電阻器，并且將這個電流值與電流閥值相比較，根據(jù)極性，檢測過流或短路情況。如果電池的電流超過了閥值，那么一個充電 （CHG） 場效應晶體管 （FET） 或放電 （DSG） FET打開，以斷開電池，并防止進一步損壞。

　　保護功能并不總是限于電壓和電流方面；例如，某些高電池節(jié)數(shù)量應用需要開路檢測 （OCD）。這個類型的保護確認監(jiān)視器始終與每節(jié)電池相連。諸如bq76925的電池監(jiān)視器器件，配備有OCD，是非常常見的電動工具應用。

　　在為你的電池組選擇保護功能時，請考慮：

　　·一個獨立保護器（只提供硬件保護）。

　　·具有硬件保護功能的監(jiān)視器。

　　·具有固件保護功能的電量計。

　　·上述3者的組合。

　　為你的電池組選擇具有所需保護功能的合適組件將取決于你的應用要求。

　　為了達到冗余的目的，諸如OV保護器的簡單保護器提供最后一道保護功能。具有二級保護的應用包括筆記本電腦、電動自行車、電動滑板車和電工工具。在某些諸如智能手表和手機的單節(jié)電池設備中，由于只有一節(jié)電池，也就無需監(jiān)視器了。在這些單節(jié)電池應用中，具有內(nèi)置固件保護功能的電量計是不錯的選擇。如果你對固件保護情有獨鐘，那么與單節(jié)電池高級保護器配對使用的簡單電量計，比如說bq29700，就更合適一些。

　　在硬件和固件保護二者之間，有幾點需要注意。兩種保護類型都是有效的，不過在選擇其中任一保護類型時，你必須權衡，作出取舍?；诠碳谋Ｗo常見于電量計或MCU，而硬件保護常用于獨立保護器或監(jiān)視器中，不過有幾款電量計也具有硬件保護功能。兩者之間的主要差異在于，硬件保護實際上使用的是內(nèi)部電路（比如說比較器）來比較內(nèi)部寄存器，或者保存閥值數(shù)值的電可擦除可編程只讀存儲器 （EEPROM），以查看是否已經(jīng)出現(xiàn)故障?；诠碳谋Ｗo使用電量計的內(nèi)部算法來比較電池節(jié)的測量值與代碼中寫入的閥值。有時也具有這兩種保護類型來實現(xiàn)冗余。

　　一個鋰離子電池組需要保護功能，在保持電池安全性的同時，確保應用的運行時間能夠更長。通過防止電池性能降低或爆炸等更糟糕情況的發(fā)生，一個好的保護解決方案能夠有益于你的系統(tǒng)運行。下文將深入地談一談監(jiān)視器和電量計，以及它們在電池組中所發(fā)揮的作用。介紹創(chuàng)建安全和健康電池組所需的其它兩個元件：采集電池組中每節(jié)電池的診斷信息，并提供保護功能的監(jiān)視器，以及智能計算電池荷電狀態(tài)和健康水平的電量計。

　　監(jiān)視器和電量計

　　監(jiān)視器（模擬前端 （AFE））

　　由于保護功能是所有電池組電子元件的主要功能，一般的電池組器件都配備有某些級別的保護功能。例如，一個電池監(jiān)視器（模擬前端 ［AFE］）被設計為實現(xiàn)以下功能，或混合功能：

　　·測量單節(jié)電池電壓、電池組電流和電池組溫度（通過一個單獨的溫度傳感器測量）。

　　·驅動一個為其它組件供電的集成LDO，比如說電量計或微控制器 （MCU）。

　　·驅動一個電池平衡網(wǎng)絡，以確保電池組中的每節(jié)電池在充電時保持一致。

　　·驅動充電 （CHG） 和放電 （DSG） FET來保護電池組。

　　·提供包括電壓和電流保護功能在內(nèi)的混合硬件保護功能。

　　如你所見，監(jiān)視器提供針對電池組的關鍵功能。這些功能使得監(jiān)視器對于電池組來說極其重要；然而，需要注意的一點是，并不是所有的應用都需要獨立監(jiān)視器。某些電池節(jié)數(shù)量較低的應用（少于5節(jié)電池）不使用監(jiān)視器；而使用的是諸如bq40z50-R1等包含監(jiān)視功能的多合一電量計（保護器、監(jiān)視器和電量計）。此外，所有監(jiān)視器需要某些形式的主機、MCU或電量計來對其進行控制，并且接收電池節(jié)測量數(shù)據(jù)等通信信息。

　　電量計

　　現(xiàn)在，我們來談一談電量計到底是什么器件，以及如何選擇一款電量計。一個電量計就意味著要去計量。換句話說，它的工作就是估計或確定某些參數(shù)的幅度、數(shù)量或大小。在一個電池組中，電量計計算2個東西：荷電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH）。SOC是指電池內(nèi)支持系統(tǒng)運行的所剩電量，而SOH是電池壽命的測量值，并決定是否需要更換。然后，這個電量計將知道何時提示系統(tǒng)注意這些數(shù)值，這樣的話，用戶就可以采取正確的操作了。在選擇電量計時，你可以采取以下3條途徑中的任何一個，可以選擇：

　　·一個多合一電量計（配備有監(jiān)視器 （AFE），以及某些種類的保護）

　　·一個不執(zhí)行任何監(jiān)視或保護功能的分立式電量計。

　　·一個MCU。

　　分立式電量計是具有特殊固件，能夠執(zhí)行電量計量活動的器件。選擇MCU，而不選擇電量計將取決于你在電量計量算法開發(fā)方面的經(jīng)驗，或者說，你是否更喜歡使用準確的、現(xiàn)成可用、易于上手的器件。TI擁有大量的支持不同算法的產(chǎn)品組合，每一種算法都有其自身的復雜度和精確度等級。例如，我們的Impedance Track 算法，能夠提供非常精密的準確度，誤差率為1%。

　　需要知道的最后一件事情就是，在電池組內(nèi)，分立式電量計對監(jiān)視器所發(fā)揮的作用。在這個情況下，電量計是控制監(jiān)視器的大腦，并且完成設定保護閥值或驅動保護FET等操作。

　　所有電池組具有3個基本功能：保護、監(jiān)視和電量計量。電池組可以包含一個單芯片解決方案（例如bq40z50-R1）或一個多芯片解決方案；這二者均有其自身的優(yōu)缺點。電池組中的保護功能也許是一個獨立器件，或者包含在電量計或監(jiān)視器中。出于冗余的目的，硬件和固件保護能夠一起工作。監(jiān)視器依賴主機實現(xiàn)通信的目的，而一個電池組需要具有某種電量計量算法的電量計或MCU。