基于"飛電容"技術(shù)的動(dòng)力鋰離子電池組保護系統

　　引 言

　　近年來(lái)，越來(lái)越多的鋰離子電池廠(chǎng)家加入到動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)隊伍中，盡管動(dòng)力鋰離子電池相對于鎳氫、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，而且它的規模應用也是大勢所趨，但電池組的成本、安全性等方面的因素仍然制約著(zhù)動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)的擴大。鋰離子電池都需要配備電子保護系統，以防止電池出現過(guò)充或過(guò)放而發(fā)生爆炸，但由于各廠(chǎng)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)放保護電壓多種多樣，采用現有的鋰電單節或多節保護IC均不能滿(mǎn)足如此眾多的電壓需求。岡此，本文將介紹一種低成本、可靠、適應性廣的鋰離子電池組保護系統，以解決目前的困境。 1 鋰離子電池組保護系統功能

　　本文所介紹的鋰離子電池組保護系統是針對10節串聯(lián)的動(dòng)力鋰離子電池組而設計，功能如下：

　　a)對電池組中每一節電池的端電壓進(jìn)行監控，一旦發(fā)現某一節電池電壓出現過(guò)充或過(guò)放，將切斷主回路開(kāi)關(guān)。

　　b)保護系統的過(guò)充、過(guò)放等電壓保護值可由用戶(hù)任意設置，設置范圍為2.O V～4.5 V。

　　c)具有斷線(xiàn)保護功能。每個(gè)電池的正負極均有檢測線(xiàn)連接至保護系統，當電池組由于受震動(dòng)等原因，檢測線(xiàn)出現斷路，保護系統能馬上發(fā)現并立即切斷主回路。目前基于單節或多節鋰電保護IC的設計方案，均不能進(jìn)行斷線(xiàn)檢測。

　　d)具有過(guò)流及短路保護功能。當保護系統發(fā)現負載出現短路或過(guò)流，將立即切斷放電主回路，直至負載撤除后，再恢復主回路開(kāi)關(guān)。

　　2 "飛電容"檢測原理

　　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K1切換至直流源信號Vi一側時(shí)，Vi對C1進(jìn)行充電，經(jīng)過(guò)短暫的充電后，C1兩端的端電壓應該與Vi相同，此時(shí)把K1切換至Vo一側，由于電壓跟隨器的輸入阻抗無(wú)限大，而且C1有儲能作用，Vo應該與C1兩端的電壓相同，從而實(shí)現對Vi的測量。"飛電容"測量技術(shù)適合于對慢速變化的直流信號進(jìn)行測量，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量，有效消除共模干擾。

　　3 系統實(shí)現原理

　　圖2為基于"飛電容"技術(shù)的動(dòng)力鋰離子電池組保護系統的原理框圖。

　　該系統分為兩個(gè)單片機控制的子模塊，模塊1負責管理低端的7節鋰離子電池，模塊2負責管理高端的3節鋰離子電池，兩個(gè)模塊的"地"相互獨立，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，控制具有串聯(lián)關(guān)系的兩對開(kāi)關(guān)(Ka1和Ka2、Kb1和Kb2)，實(shí)現對主回路充放電MOS管的控制。

　　系統中所用的單片機為MICROCHIIP公司的PIcl6F676單片機，該單片機功耗極低，具有8路10位的A/D轉換通道，12個(gè)I/O引腳，1024字Flash程序存儲區，60字節SRAM，十分適合本系統的檢測控制。

　　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。MAX309是一片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現通道的選擇。開(kāi)關(guān)KA(1～4)負責把電池的正極連接至"飛電容"C1的正極，開(kāi)關(guān)KB(1～4)負責把電池負極連接至"飛電容"C1的負極。3通道開(kāi)關(guān)切換陣列結構與4通道開(kāi)關(guān)切換陣列類(lèi)似，只是通道數少1路。工作時(shí)，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中一路電池的正負極與C1連接，對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)，單片機對電容C1的電壓進(jìn)行快速檢測，由此完成了對一節電池的電壓檢測。若發(fā)現檢測電壓為OV，則可推斷出電 池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護系統到電池的檢測線(xiàn)斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復上述過(guò)程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的檢測。

　　模塊2中，由于管理的電池數只有3節，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，控制原理與模塊1相同。

　　保護系統還設有過(guò)流及短路檢測比較器，通過(guò)檢測電流流過(guò)放電MOS管所產(chǎn)生的壓降，與基準電壓相比較后，單片機根據比較器的輸出電壓，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)流或短路負載撤除為止。

　　4 軟件設計

　　由于電池的電壓變化較慢，所以對電池電壓的監控采取占空比為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。

　　系統工作時(shí)的耗電是200μA，睡眠時(shí)的耗電是12μA，那么系統平均耗電將是30.8μA，系統的功耗可以大大降低。

　　另外，由于系統是由單片機程序進(jìn)行控制，針對不同電壓要求的動(dòng)力鋰離子電池，只需出廠(chǎng)前修改程序中電池的過(guò)充過(guò)放保護值，即可適應不同類(lèi)型的鋰電保護要求。

　　5 結束語(yǔ)

　　動(dòng)力鋰離子電池組的監控是一個(gè)全新的課題，本文提出了一種低成本、低功耗、高可靠性以及適應性廣的鋰電保護系統設計方法，通過(guò)采用"飛電容"技術(shù)，實(shí)現了對電池組過(guò)充、過(guò)放保護以及斷線(xiàn)檢測等各種保護功能。