電池組的保護及監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(shí)，不論是智能手表還是電動(dòng)自行車(chē)，這項任務(wù)并不像它看起來(lái)那么讓人望而怯步。鋰離子電池組有3個(gè)基本功能：保護、監視和電量計量。這3個(gè)功能通常由單個(gè)器件處理；然而，某些器件能夠用集成度更高的解決方案來(lái)實(shí)現多個(gè)功能。事實(shí)上，由合適組件組成的電池組和這3個(gè)功能將提高系統性能、提供更多保護，并且能夠實(shí)現更長(cháng)的運行時(shí)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，以幫助你根據電池的大小來(lái)選擇正確的器件，在這里1S表示1 = 1節串聯(lián)，2S = 2節串聯(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(shí)應該將其作為主要考慮因素。有兩種不同的保護類(lèi)型：

　　·電壓保護由內部比較器組成，它們持續測量單個(gè)電池節的電壓，將其與過(guò)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(guò)它有一個(gè)計算流經(jīng)電池組電流的感測電阻器，并且將這個(gè)電流值與電流閥值相比較，根據極性，檢測過(guò)流或短路情況。如果電池的電流超過(guò)了閥值，那么一個(gè)充電 （CHG） 場(chǎng)效應晶體管 （FET） 或放電 （DSG） FET打開(kāi)，以斷開(kāi)電池，并防止進(jìn)一步損壞。

　　保護功能并不總是限于電壓和電流方面；例如，某些高電池節數量應用需要開(kāi)路檢測 （OCD）。這個(gè)類(lèi)型的保護確認監視器始終與每節電池相連。諸如bq76925的電池監視器器件，配備有OCD，是非常常見(jiàn)的電動(dòng)工具應用。

　　在為你的電池組選擇保護功能時(shí)，請考慮：

　　·一個(gè)獨立保護器（只提供硬件保護）。

　　·具有硬件保護功能的監視器。

　　·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(jiǎn)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(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)和電工工具。在某些諸如智能手表和手機的單節電池設備中，由于只有一節電池，也就無(wú)需監視器了。在這些單節電池應用中，具有內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，那么與單節電池高級保護器配對使用的簡(jiǎn)單電量計，比如說(shuō)bq29700，就更合適一些。

　　在硬件和固件保護二者之間，有幾點(diǎn)需要注意。兩種保護類(lèi)型都是有效的，不過(guò)在選擇其中任一保護類(lèi)型時(shí)，你必須權衡，作出取舍?；诠碳谋Ｗo常見(jiàn)于電量計或MCU，而硬件保護常用于獨立保護器或監視器中，不過(guò)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(shí)際上使用的是內部電路（比如說(shuō)比較器）來(lái)比較內部寄存器，或者保存閥值數值的電可擦除可編程只讀存儲器 （EEPROM），以查看是否已經(jīng)出現故障?；诠碳谋Ｗo使用電量計的內部算法來(lái)比較電池節的測量值與代碼中寫(xiě)入的閥值。有時(shí)也具有這兩種保護類(lèi)型來(lái)實(shí)現冗余。

　　一個(gè)鋰離子電池組需要保護功能，在保持電池安全性的同時(shí)，確保應用的運行時(shí)間能夠更長(cháng)。通過(guò)防止電池性能降低或爆炸等更糟糕情況的發(fā)生，一個(gè)好的保護解決方案能夠有益于你的系統運行。下文將深入地談一談監視器和電量計，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(gè)元件：采集電池組中每節電池的診斷信息，并提供保護功能的監視器，以及智能計算電池荷電狀態(tài)和健康水平的電量計。

　　監視器和電量計

　　監視器（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(gè)電池監視器（模擬前端 ［AFE］）被設計為實(shí)現以下功能，或混合功能：

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

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

　　·驅動(dòng)一個(gè)電池平衡網(wǎng)絡(luò )，以確保電池組中的每節電池在充電時(shí)保持一致。

　　·驅動(dòng)充電 （CHG） 和放電 （DSG） FET來(lái)保護電池組。

　　·提供包括電壓和電流保護功能在內的混合硬件保護功能。

　　如你所見(jiàn)，監視器提供針對電池組的關(guān)鍵功能。這些功能使得監視器對于電池組來(lái)說(shuō)極其重要；然而，需要注意的一點(diǎn)是，并不是所有的應用都需要獨立監視器。某些電池節數量較低的應用（少于5節電池）不使用監視器；而使用的是諸如bq40z50-R1等包含監視功能的多合一電量計（保護器、監視器和電量計）。此外，所有監視器需要某些形式的主機、MCU或電量計來(lái)對其進(jìn)行控制，并且接收電池節測量數據等通信信息。

　　電量計

　　現在，我們來(lái)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(gè)電量計就意味著(zhù)要去計量。換句話(huà)說(shuō)，它的工作就是估計或確定某些參數的幅度、數量或大小。在一個(gè)電池組中，電量計計算2個(gè)東西：荷電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH）。SOC是指電池內支持系統運行的所剩電量，而SOH是電池壽命的測量值，并決定是否需要更換。然后，這個(gè)電量計將知道何時(shí)提示系統注意這些數值，這樣的話(huà)，用戶(hù)就可以采取正確的操作了。在選擇電量計時(shí)，你可以采取以下3條途徑中的任何一個(gè)，可以選擇：

　　·一個(gè)多合一電量計（配備有監視器 （AFE），以及某些種類(lèi)的保護）

　　·一個(gè)不執行任何監視或保護功能的分立式電量計。

　　·一個(gè)MCU。

　　分立式電量計是具有特殊固件，能夠執行電量計量活動(dòng)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(kāi)發(fā)方面的經(jīng)驗，或者說(shuō)，你是否更喜歡使用準確的、現成可用、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，分立式電量計對監視器所發(fā)揮的作用。在這個(gè)情況下，電量計是控制監視器的大腦，并且完成設定保護閥值或驅動(dòng)保護FET等操作。

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