基于飛電容技術(shù)的動(dòng)力鋰離子電池組保護(hù)系統(tǒng)

0 引 言

近年來(lái)，越來(lái)越多的鋰離子電池廠家加入到動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)隊(duì)伍中，盡管動(dòng)力鋰離子電池相對(duì)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，而且它的規(guī)模應(yīng)用也是大勢(shì)所趨，但電池組的成本、安全性等方面的因素仍然制約著動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)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(guò)充或過(guò)放而發(fā)生爆炸，但由于各廠家制造動(dòng)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(guò)充、過(guò)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(duì)10節(jié)串聯(lián)的動(dòng)力鋰離子電池組而設(shè)計(jì)，功能如下：

a)對(duì)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(guò)充或過(guò)放，將切斷主回路開(kāi)關(guān)。

b)保護(hù)系統(tǒng)的過(guò)充、過(guò)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(gè)電池的正負(fù)極均有檢測(cè)線連接至保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)電池組由于受震動(dòng)等原因，檢測(cè)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(jì)方案，均不能進(jìn)行斷線檢測(cè)。

d)具有過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)。

2 飛電容檢測(cè)原理

圖1足飛電容的工作原理圖。

圖中：K1是雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，當(dāng)K1切換至直流源信號(hào)Vi一側(cè)時(shí)，Vi對(duì)C1進(jìn)行充電，經(jīng)過(guò)短暫的充電后，C1兩端的端電壓應(yīng)該與Vi相同，此時(shí)把K1切換至Vo一側(cè)，由于電壓跟隨器的輸入阻抗無(wú)限大，而且C1有儲(chǔ)能作用，Vo應(yīng)該與C1兩端的電壓相同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Vi的測(cè)量。飛電容測(cè)量技術(shù)適合于對(duì)慢速變化的直流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，動(dòng)力鋰離子電池本身可以看做一個(gè)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(dòng)力鋰離子電池組的電壓測(cè)量，有效消除共模干擾。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

圖2為基于飛電容技術(shù)的動(dòng)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(gè)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(gè)模塊的地相互獨(dú)立，高端和低端兩個(gè)模塊通過(guò)輸出過(guò)充、過(guò)放控制信號(hào)，控制具有串聯(lián)關(guān)系的兩對(duì)開(kāi)關(guān)(Ka1和Ka2、Kb1和Kb2)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)I/O引腳，1024字Flash程序存儲(chǔ)區(qū)，60字節(jié)SRAM，十分適合本系統(tǒng)的檢測(cè)控制。

模塊1中，由于每一個(gè)開(kāi)關(guān)均要承受30 V以上的直流高壓，故4通道開(kāi)關(guān)切換陣列用一片MAX309實(shí)現(xiàn)。MAX309是一片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇。開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與4通道開(kāi)關(guān)切換陣列類(lèi)似，只是通道數(shù)少1路。工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號(hào)，讓其中一路電池的正負(fù)極與C1連接，對(duì)C1進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通到跟隨放大器的開(kāi)關(guān)，單片機(jī)對(duì)電容C1的電壓進(jìn)行快速檢測(cè)，由此完成了對(duì)一節(jié)電池的電壓檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓為OV，則可推斷出電 池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號(hào)切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過(guò)程，單片機(jī)即完成對(duì)本模塊所管理的電池的檢測(cè)。

模塊2中，由于管理的電池?cái)?shù)只有3節(jié)，多路開(kāi)關(guān)的耐壓只要能承受13 V以上即可，故選用價(jià)格較低的MC14051實(shí)現(xiàn)，控制原理與模塊1相同。

保護(hù)系統(tǒng)還設(shè)有過(guò)流及短路檢測(cè)比較器，通過(guò)檢測(cè)電流流過(guò)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(guò)流的判斷，在延時(shí)一段時(shí)間后，若過(guò)流或短路情況仍然存在，則馬上切斷放電回路，直至過(guò)流或短路負(fù)載撤除為止。

4 軟件設(shè)計(jì)

由于電池的電壓變化較慢，所以對(duì)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(shí)問(wèn)，而睡眠進(jìn)程占9/10的時(shí)間。

系統(tǒng)工作時(shí)的耗電是200μA，睡眠時(shí)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(duì)不同電壓要求的動(dòng)力鋰離子電池，只需出廠前修改程序中電池的過(guò)充過(guò)放保護(hù)值，即可適應(yīng)不同類(lèi)型的鋰電保護(hù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)力鋰離子電池組的監(jiān)控是一個(gè)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(jì)方法，通過(guò)采用飛電容技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組過(guò)充、過(guò)放保護(hù)以及斷線檢測(cè)等各種保護(hù)功能。