基于ISL9208的大容量鋰電池組管理系統設計

(1) ISL9208的電壓測量和充放電電壓保護
ISL9208通過(guò)VCELL1～7可直接測量每個(gè)電池的電壓，但是，每個(gè)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(shí)，必須進(jìn)行電平轉換和分壓。為了進(jìn)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?yōu)?．1 V輸出給外部。
在充電過(guò)程中，MCU將周期性地測量每個(gè)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(guò)控制ISL9208的CFET引腳電壓，可使外置的N道溝FET關(guān)斷，以使充電停止，從而保護電池組。
而在放電過(guò)程中，當MCU檢測到任何一個(gè)電池欠電壓時(shí)，同樣可對ISL9208寫(xiě)入一個(gè)控制位，以控制DFET引腳的電壓并關(guān)斷外部FET，以達到防止過(guò)放電的目的。
(2) ISL9208的電流測量和過(guò)電流保護
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(guò)程中，當DSENSE的測量電壓超過(guò)設定值且時(shí)間超過(guò)設定延時(shí)時(shí)，ISL9208將進(jìn)入過(guò)流保護和短路保護模式。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)，如果檢測到放電短路，系統也通過(guò)控制DFET引腳的電壓來(lái)關(guān)斷外部FET以達到控制之目的。
由于本設計針對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)大電流而且穩定性較好的IRF540NS。
(3)芯片內部溫度以及外部電池組的溫度測量和控制
芯片的內部過(guò)熱主要是由于內置均衡電流產(chǎn)生的熱能造成的，ISL9208自身集成有內部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)高則容易導致爆炸，因此，對電池組的溫度控制尤為重要。一旦溫度達到一定程度，就必須使用外部散熱設備對電池組進(jìn)行散熱，超過(guò)警戒溫度應馬上中斷電路，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)現對電池組溫度的檢測。TEMPI引腳用于測量熱敏電阻兩端的電壓，當電壓下降到設定門(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)散熱設備，以等待電池組散熱，恢復正常溫度。TEMPI的電壓可以通過(guò)AO口，通過(guò)MCU設置多路復用器來(lái)實(shí)現對MCU的輸出。
1．3 均衡模塊
電池均衡可定義為電池組中對單個(gè)電池的微分電流的應用，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，由于電池之間的內阻和容量差異，即便每個(gè)單體電池電壓達到一致，也并不代表每個(gè)電池的容量就能達到一致。實(shí)際設計是采用CB1～7引腳，并通過(guò)內部的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200 mA，并可以根據分流電阻下調均衡電流的大小。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 )導致內部IC過(guò)熱而中斷充放電。

2 系統軟件設計
本系統的軟件部分是通過(guò)MCU實(shí)現周期性測量各個(gè)參數，并與初始化時(shí)的設定值進(jìn)行比對，以判斷是否需要進(jìn)入保護狀態(tài)或者平衡狀態(tài)。整個(gè)系統的軟件可采用模塊化設計方法。
2．1 系統初始化模塊
系統初始化模塊主要完成對ISL9208的初始化，主要設定系統的過(guò)放電保護電壓、過(guò)充電保護電壓、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 參數測量模塊
參數測量模塊主要用于對鋰電池運行狀態(tài)下的電壓、電流和溫度等參數進(jìn)行周期性測量。因為各個(gè)參數都已經(jīng)設置好了測量方法，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內部多路復用器的寄存器(地址為03H)A03：A01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)參數測量模塊所得到的測量值經(jīng)過(guò)適當的轉換，再由MCU將其與初始設定值進(jìn)行比較，如果超過(guò)上下限值，則進(jìn)入保護模式，如無(wú)，則進(jìn)入均衡模式。
2．4 保護和均衡模塊
當MCU判定系統進(jìn)入保護模式時(shí)，MCU可通過(guò)設置ISL9208的FET Control寄存器(地址：04H)后兩位的值來(lái)實(shí)現對外部FET的控制。
如果周期性測量的各個(gè)參數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。若以當下電池組中電壓最低的那個(gè)電池的電壓為基準，均衡范圍為±50 mV(均衡的相差電壓可根據實(shí)際需要通過(guò)電阻調節)，那么，就可據此逐個(gè)排隊判定其他電池是否需要均衡，然后由MCU通過(guò)修改Cell Balance(地址：02H)寄存器的值來(lái)實(shí)現對CB1～7引腳電壓的控制，以開(kāi)啟或關(guān)閉每個(gè)電池的均衡模塊。