基于ISL9208的大容量鋰電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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(cè)充放電電流， 充電時(shí)放電檢測(cè)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(guò)一個(gè)外接電阻來(lái)測(cè)量電壓，從而測(cè)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(guò)程中， 當(dāng)DSENSE的測(cè)量電壓超過(guò)設(shè)定值且時(shí)間超過(guò)設(shè)定延時(shí)時(shí)， ISL9208將進(jìn)入過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)模式。此時(shí)， MCU會(huì)通過(guò)芯片控制CFET引腳電壓， 以關(guān)斷外部FET， 從而斷開(kāi)電路， 避免過(guò)流引起的電池組安全事故。同理， 在放電時(shí)， 如果檢測(cè)到放電短路， 系統(tǒng)也通過(guò)控制DFET引腳的電壓來(lái)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(chǎng)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(guò)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(cè)量和控制。
芯片的內(nèi)部過(guò)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(guò)熱后停止電池均衡的功能， 因此不需要外置電路來(lái)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(guò)低， 電池將無(wú)法工作， 而過(guò)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(guò)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(cè)模塊(TEMP3V引腳和TEMPI引腳)， 該電路將反復(fù)開(kāi)啟(TEMP3V每640 ms開(kāi)啟5 ms)。TEMP3V引腳通過(guò)外接一個(gè)電阻分壓器和一個(gè)熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的檢測(cè)， TEMPI引腳用于測(cè)量熱敏電阻兩端的電壓， 當(dāng)電壓下降到設(shè)定門(mén)限值時(shí)， 表示外部過(guò)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(guò)AO口， 通過(guò)MCU設(shè)置多路復(fù)用器來(lái)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(lái)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(shuō)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(guò)內(nèi)部的FET， 在充電時(shí)繞過(guò)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(kāi)啟多個(gè)均衡FET， 但整體不能超過(guò)器件的功耗限制， 過(guò)多的平衡電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部IC過(guò)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(guò)MCU實(shí)現(xiàn)周期性測(cè)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(guò)放電保護(hù)電壓、過(guò)充電保護(hù)電壓、過(guò)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(cè)量模塊
參數(shù)測(cè)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(cè)量。因?yàn)楦鱾€(gè)參數(shù)都已經(jīng)設(shè)置好了測(cè)量方法， 所以， 只要MCU通過(guò)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(guò)參數(shù)測(cè)量模塊所得到的測(cè)量值經(jīng)過(guò)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(guò)上下限值， 則進(jìn)入保護(hù)模式， 如無(wú)， 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(guò)設(shè)置ISL9208的FET Control寄存器(地址： 04H)后兩位的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部FET的控制。
如果周期性測(cè)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(guò)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