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基于ISL9208的大容量鋰電池組管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1453次  |  2019年11月09日  

摘要:介紹了以ISL9208為核心的大容量鋰電池組管理系統(tǒng)的工作原理,給出了通過(guò)ISL9208實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中單體電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè),并通過(guò)單片機(jī)對(duì)單體電池進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、溫度保護(hù)以及充放電均衡的實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞:ISL9208;p87LpC768;電池組管理系統(tǒng);電池均衡


0引言鋰離子電池以其優(yōu)異的性能在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電池制造水平的提高,鋰電池的安全性能逐步提高,價(jià)格也不斷下降,因此,在一些大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備中,也越來(lái)越多地使用鋰電池作為電源。鋰電池自身對(duì)充放電的要求很高,一旦過(guò)沖很容易引起爆炸,而過(guò)放則會(huì)造成電池的永久損壞,因此,使用不當(dāng)極易造成人員財(cái)產(chǎn)損失。特別是在大容量的串聯(lián)鋰電池組的使用上,必須設(shè)計(jì)和安裝相關(guān)的監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備,以杜絕上述情況的發(fā)生。另外,由于單體電池在生產(chǎn)過(guò)程中所存在的不一致性,串聯(lián)使用之后的多次充放電會(huì)加劇這種不一致性,從而極大地影響整個(gè)電池組的壽命,因此,電池組的均衡控制極為重要。為此,本文使用Intersil公司的鋰電池微控模擬前端芯片ISL9208和philips公司的小型封裝系列控制芯片p87LpC768(OTp單片機(jī))為主要元件,給出了一種大容量鋰電池組管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鋰電池組中單體電池的電壓監(jiān)測(cè)和過(guò)沖、過(guò)放保護(hù),以及鋰電池組充放電的過(guò)沖電流保護(hù),同時(shí)可對(duì)鋰電池組的溫度進(jìn)行監(jiān)控以保證每個(gè)電池最大200mA的充電平衡電流。


1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本文給出的電池組管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2所示是其實(shí)際電路連接圖。


當(dāng)系統(tǒng)接入外部負(fù)載或者充電器時(shí),使用一個(gè)外部開(kāi)關(guān)將ISL9208的WKUp引腳拉到高電平,從而喚醒微控制器模擬前端ISL9208,喚醒后的ISL9208則通過(guò)內(nèi)置的3.3V穩(wěn)壓器從RGO口輸出3.3V電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)控制芯片p87LpC768,這樣,MCU上電后就可使整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。MCU可通過(guò)I2C接口與ISL9208進(jìn)行通信,以設(shè)置好ISL9208的內(nèi)部寄存器,同時(shí)監(jiān)控單體電池的電壓狀況,并根據(jù)每個(gè)電池的具體參數(shù)判斷電池的狀態(tài),再通過(guò)均衡模塊對(duì)單體電池進(jìn)行保護(hù),以防止過(guò)沖和過(guò)放。1.1控制芯片p87LpC768p87LpC7XX系列是philips公司生產(chǎn)的基于80C51加速處理器結(jié)構(gòu)的小型OTp單片機(jī),它的性能是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍,并且價(jià)格低廉,易于成本控制。p87LpC768內(nèi)部集成有4KB的OTp程序存儲(chǔ)器和可編程的I/O端口,4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器和I2C通信接口。由于ISL9208有I2C接口,因此,使用p87LpC768可直接相連,而不需要軟件模擬,故較為方便。


1.2ISL9208ISL9208IRZ是Intersil公司生產(chǎn)的多節(jié)串鋰電池包過(guò)流保護(hù)器件和微控制器模擬前端,可支持5~7節(jié)串聯(lián)電池組。它內(nèi)部集成了過(guò)流保護(hù)電路、短路保護(hù)、內(nèi)部3.3V穩(wěn)壓器、電芯平衡開(kāi)關(guān)、電壓監(jiān)測(cè)電平轉(zhuǎn)換器和I2C通信接口。ISL9208的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。


(1)ISL9208的電壓測(cè)量和充放電電壓保護(hù)ISL9208通過(guò)VCELL1~7可直接測(cè)量每個(gè)電池的電壓,但是,每個(gè)電池的電壓都比穩(wěn)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(cè)量和外部A/D轉(zhuǎn)換時(shí),必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器把電池電壓以VSS為基準(zhǔn)都除以2。以使典型4.2V的鋰電池在I/O口的電壓變?yōu)?.1V輸出給外部。在充電過(guò)程中,MCU將周期性地測(cè)量每個(gè)單體電池的電壓,并與初始設(shè)定值相比較,如果大于初始設(shè)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(hù)電池組。而在放電過(guò)程中,當(dāng)MCU檢測(cè)到任何一個(gè)電池欠電壓時(shí),同樣可對(duì)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(dá)到防止過(guò)放電的目的。(2)ISL9208的電流測(cè)量和過(guò)電流保護(hù)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640ms開(kāi)啟5ms)。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)200mA,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)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(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FETControl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±50mV(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,然后由MCU通過(guò)修改CellBalance(地址:02H)寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。


本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。


3測(cè)試結(jié)果通過(guò)仿真電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,可以得到如下結(jié)果:(1)過(guò)充電保護(hù)電壓:4.2V±25mV;過(guò)充電恢復(fù)電壓:4.0V±25mV。(2)過(guò)放電保護(hù)電壓:2.7V±25mV;過(guò)放電恢復(fù)電壓:3.0V±25mV。(3)單體電池的均衡電壓:50mV(可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改)具體的電流參數(shù)如表1所列。


4結(jié)束語(yǔ)本文給出了一種5~7節(jié)鋰電池串聯(lián)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度適中,能滿足大多數(shù)大容量鋰電儲(chǔ)能場(chǎng)合的管理需要。另外,如果串聯(lián)的鋰電池?cái)?shù)目更多,也可以將多個(gè)ISL9208并聯(lián),以實(shí)現(xiàn)更大的擴(kuò)展。


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