基于ISL9208的大容量鋰電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(qū)別在于整合方式充放電電路共用一個(gè)電路, 而分離方式則分別用2個(gè)引腳檢測充放電電流, 充電時(shí)放電檢測停止, 反之亦然。本系統(tǒng)采用整合方案, 因此, CSENSE 引腳直接接地,DSENSE引腳則通過一個(gè)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(shí)的參考地是DSREF引腳。
在充電過程中, 當(dāng)DSENSE的測量電壓超過設(shè)定值且時(shí)間超過設(shè)定延時(shí)時(shí), ISL9208將進(jìn)入過流保護(hù)和短路保護(hù)模式。此時(shí), MCU會(huì)通過芯片控制CFET引腳電壓, 以關(guān)斷外部FET, 從而斷開電路, 避免過流引起的電池組安全事故。同理, 在放電時(shí), 如果檢測到放電短路, 系統(tǒng)也通過控制DFET引腳的電壓來關(guān)斷外部FET以達(dá)到控制之目的。
由于本設(shè)計(jì)針對(duì)的是大容量的鋰電池串聯(lián)使用的場合, 其充電電流和放電電流都比較高, 因此, 電路中的外置FET推薦使用能通過大電流而且穩(wěn)定性較好的IRF540NS。
(3) 芯片內(nèi)部溫度以及外部電池組的溫度測量和控制。
芯片的內(nèi)部過熱主要是由于內(nèi)置均衡電流產(chǎn)生的熱能造成的, ISL9208自身集成有內(nèi)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(jiān)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(dǎo)致爆炸, 因此, 對(duì)電池組的溫度控制尤為重要。一旦溫度達(dá)到一定程度, 就必須使用外部散熱設(shè)備對(duì)電池組進(jìn)行散熱, 超過警戒溫度應(yīng)馬上中斷電路, 以保證安全。
ISL9208自帶一個(gè)溫度檢測模塊(TEMP3V引腳和TEMPI引腳), 該電路將反復(fù)開啟(TEMP3V每640 ms開啟5 ms)。TEMP3V引腳通過外接一個(gè)電阻分壓器和一個(gè)熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的檢測, TEMPI引腳用于測量熱敏電阻兩端的電壓, 當(dāng)電壓下降到設(shè)定門限值時(shí), 表示外部過熱, 此時(shí)MCU將中斷電路并啟動(dòng)散熱設(shè)備, 以等待電池組散熱, 恢復(fù)正常溫度。TEMPI的電壓可以通過AO口, 通過MCU設(shè)置多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU的輸出。
1.3 均衡模塊
電池均衡可定義為電池組中對(duì)單個(gè)電池的微分電流的應(yīng)用, 電池組接受相同的電流, 每個(gè)電池需要額外的電子元件和電路來達(dá)到電池均衡。
電池均衡直接影響整個(gè)電池組的使用壽命, 特別是在大容量鋰電池組的應(yīng)用中, 本身電池組成本較高, 如果使用壽命很短, 則很難進(jìn)行推廣。
ISL9208只用少量外置電阻就能實(shí)現(xiàn)電池均衡, 需要說明的是, 這種均衡方式屬于電壓式均衡, 由于電池之間的內(nèi)阻和容量差異, 即便每個(gè)單體電池電壓達(dá)到一致, 也并不代表每個(gè)電池的容量就能達(dá)到一致。實(shí)際設(shè)計(jì)是采用CB1~7引腳, 并通過內(nèi)部的FET, 在充電時(shí)繞過單個(gè)電池并分流一小部分電流; 而在放電時(shí), 則從電池分出電流, 這個(gè)功能可以減小單體電池的電壓。其電流最大可達(dá)200 mA, 并可以根據(jù)分流電阻下調(diào)均衡電流的大小。在均衡電流比較小的時(shí)候, 可以開啟多個(gè)均衡FET, 但整體不能超過器件的功耗限制, 過多的平衡電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部IC過熱而中斷充放電。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分是通過MCU實(shí)現(xiàn)周期性測量各個(gè)參數(shù), 并與初始化時(shí)的設(shè)定值進(jìn)行比對(duì),以判斷是否需要進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)或者平衡狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件可采用模塊化設(shè)計(jì)方法。
2.1 系統(tǒng)初始化模塊
系統(tǒng)初始化模塊主要完成對(duì)ISL9208的初始化, 主要設(shè)定系統(tǒng)的過放電保護(hù)電壓、過充電保護(hù)電壓、過放電電流、DFET和CFET引腳的狀態(tài)、以及TEMP3V溫度模塊等。
2.2 參數(shù)測量模塊
參數(shù)測量模塊主要用于對(duì)鋰電池運(yùn)行狀態(tài)下的電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行周期性測量。因?yàn)楦鱾€(gè)參數(shù)都已經(jīng)設(shè)置好了測量方法, 所以, 只要MCU通過I2C通信接口向ISL9208的SDA引腳發(fā)出指令, 修改ISL9208內(nèi)部多路復(fù)用器的寄存器(地址為03H) AO3:AO1的值, 就可以使AO引腳向MCU輸出需要得到的各種電壓值。
2.3 狀態(tài)判斷模塊
經(jīng)過參數(shù)測量模塊所得到的測量值經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換, 再由MCU將其與初始設(shè)定值進(jìn)行比較,如果超過上下限值, 則進(jìn)入保護(hù)模式, 如無, 則進(jìn)入均衡模式。
2.4 保護(hù)和均衡模塊
當(dāng)MCU判定系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式時(shí), MCU可通過設(shè)置ISL9208的FET Control寄存器(地址: 04H)后兩位的值來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部FET的控制。
如果周期性測量的各個(gè)參數(shù)都符合正常工作范圍的要求, 那么則進(jìn)入充放電均衡模式。若以當(dāng)下電池組中電壓最低的那個(gè)電池的電壓為基準(zhǔn), 均衡范圍為±50 mV (均衡的相差電壓可根據(jù)實(shí)際需要通過電阻調(diào)節(jié)), 那么, 就可據(jù)此逐個(gè)排隊(duì)判定其他電池是否需要均衡, 然后
評(píng)論