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设计高电压电池组的简单方法


设计高电压电池组的简单方法 文章出处:与非网 更新于 2010-11-22 06:23:38 文章出处 与非网
高电压 电池组 电池芯

作者: 作者:Mike Coletta,Intersil 公司电池供电和便携系统设计部市场工程师 在过去两年左右的时间里,市场上出现了大量使用锂电池芯的高电压电池。这些新型的锂电池 组正在取代以前那些常用的镍镉或铅

酸电池组,并且显示了更好的性能,两次充电间隔之间更长的 使用时间,以及在整个生命周期内更多的循环充电次数。在电动工具、电动自行车和轻型运输车、 不间断电源、便携式医疗和诊断设备,以及混合动力和混合动力电动车等需要更大功率的产品中, 这些锂电池组已经成为了标准装备。 除了性能的改善, 锂电池系统还具有重量更轻、 使用时间更长、 无记忆效应等优点,而且对我们的环境也有好处。 锂电池的这些特点和优势也是有代价的。在过去几年中,我们目睹了很多电池召回事件,这些 召回的电池大多是锂离子电池。 以前的镍电池在电池组或系统内只有很少用于监测和控制电池的电 子装置,因此成本低、设计简单。为满足安全需要以及让用户容易使用,新型锂电池组需要在内部 安装大量的电子装置。这些安全特性通常包括: 电池组的过流监测和短路监测 电池芯的过压和欠压监测 电池组/电池芯的温度监测 另外,可以加入电量平衡和电池容量监测功能以进一步改善用户体验。 诸如笔记本电脑和视频摄像头等电池供电产品,要求电池能够相当稳定地供电。其他更有趣的 设备,如电动工具和许多便携式产品,需要电池能够提供很大的瞬时功率。由于电动工具等设备可 能提出一些苛刻的要求,它们的电池监测和保护电路也更加复杂,并且可提供典型笔记本电脑电池 所不具有的更高级的保护功能。精心设计的多芯监测和保护电路,如 Intersil 的 ISL9208 系列产品 的电路,可提供多级错误检测功能,并且提供清除这些错误的时间窗口。同时,这些电路还提供硬 限制,当超过这些硬限制时就可断定发生了一个硬故障。 下面,我们以一个用在无绳电动工具或电动自行车上的锂离子电池为例。该设计支持利用搭载 两个 MOSFET 的单路径对充放电电流进行控制,如果需要,也可以支持独立的充电和放电路径。 该设计具有过电流和出现短路时的电池电流监测、 单芯电压监测、 电池温度监测以及高达 200mA 平衡电流的快速电量平衡等功能。在这个示例里,ISL9208 用做模拟前端(AFE),并且同一个外部 微控制器协同工作。 AFE 实现电池芯电压的电平转换,并且在模拟输出端口(AO)上将真正的电池芯电压输出到微控 制器上。 微控制器利用这个信息监测每一个电池芯在充放电时的状态, 此外还可将其用于电量平衡。 在提供每个电池芯的模拟电压的同时, AFE 还可将任何错误情况报告给微控制器。 充放电 FET 可以 由 ISL9208 直接控制,它们可提供自动保护机制,以最大限度降低微控制器在出现诸如过电流或者 短路等严重错误状态时导致保护延迟的可能性。在充电/放电模式中,可以禁用该特性。如果这个 自动保护功能被禁用,ISL9208 将继续监控电流,并向微控制器报告错误情况,由微控制器控制

ISL9208 关断 MOSFET。这使系统设计师能够灵活地实施特殊的充电管理算法。如图 1 所示,对 于需要 7 个以上电池芯串联的电池,可以很容易地采用由一个微控制器和几个 AFE 组成的芯片组 方案。

Figure 1

为说明这种电池和系统的典型操作,我们以一个简单的无绳圆锯为例加以说明。在这个例子当中, 电池的保护和监测装置将过流触发点设定为 50A, 短路触发点设定为 100A。 如果过流事件在 125ms 内被清除, 或者负载电流超过了短路电流限制, 就会被认为发生了一个硬故障, 电动工具将会关机。 下图显示了一般的情形。

Figure 2

在阶段 A,工具从初始复位条件开始启动。电锯需要超过 80A 的电流来启动电动机,当锯转起来以后,如果不工作,只 需要 4A~6A 的电流让电机保持运转。 在阶段 B,使用者开始切割一块干燥的木头,电锯需要 10A~20A 的电流保持正常的切割操作。 在阶段 C,电锯的锯齿碰到了一个木节,或是锯片在切割过程中被卡住了,负载可能会在短时间内增加到 60A,会被认 为发生了过流。假定使用者立刻减小了锯片上的力量,负载会在所允许的 128ms 内降到过流保护的水平以下,电锯就会继续 正常的操作。

在阶段 D,使用者想切断木头,增加了锯片上的力量,负载电流也相应增加。监测和保护电路首先会认为出现了过流,紧接 着又会认为发生了短路。由于短路被认为是硬故障,电池的放电将被立刻中止,锯片也会立刻停下来。注意,过流和短路指 示信号是在 ISL9208 内部产生的,并将错误通过 I2C 接口传送给微控制器。

图 2 中的数字故障指示是由 AFE 中的模拟监测和保护电路驱动的。在一个设计良好的电路里,这些电路会过滤掉信号, 以避免误关断。例如,Intersil 的 ISL9208 系列产品提供了多个可由用户根据特定应用编程设定的电压、电流、和时间阀值, 包括:

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4 个放电过流阀值 4 个短路阀值 4 个充电过流阀值 8 个过流延迟时间(充电) 8 个过流延迟时间(放电) 2 个短路延迟时间(放电)

这些阀值使设计者在处理各种设备的放电曲线时,具有了非常大的灵活性。如在电动工具中,当电池初次安装到工具上时, 由于不同的工具具有不同的放电曲线,工具向电池传送限值的功能就会有用。这种技术可将电池的特性与工具/应用相匹配, 让用户能够发挥出设备的最大功能。

电池内单个电池芯的过压和欠压情况也是很重要的监测指标。如果任何一个电池芯的电压超过了制造商所规定的上限,就必 须关断充电功能以避免出现潜在的危险情况。类似的,如果任何一个电池芯的电压低于制造商规定的放电截止限值,就必须 关断放电功能。在某些电池芯电压变得很低的情况下,出于安全考虑,可能需要采用不同的充电技术,电池也可能需要完全 关断。由微控制器读出每个电池芯的电压,这样可对其进行数字滤波,以消除噪声并提高系统精度。

正如之前所提到的,一些电池可能具有在充放电周期时监测并控制电流的功能。在一个可在两个周期中同时监测电流的 电池中,在出现充电过电流或者短路事件时,将延缓充电周期。利用一个独立的充电限值集,AFE 将类似的指标提供给微控 制器,ISL9208 则随后利用自动保护功能关断充电 MOSFET,或者通过将错误情况报告给微控制器,并让微控制器在执行完 适当的错误处理固件后命令 ISL9208 关断 MOSFET。

不止是电池芯的电压和电池组的电流,电池的温度也需要进行监测。大多数电池芯生产商都会提供充电和放电时的上限 和下限温度。 在组装得很密的电池中, 中心区域的电池芯和靠外侧电池芯在充电和放电阶段循环时的温度可能相差 15℃以上。 由于电池芯的数量多,组装得又很密,电池在经过一段时间的深度放电以后,需要几个小时的时间才能使电池的各个部分达

到安全充电所需的相同温度。下图显示了在 25℃环境下经过深度放电后,10S2P 电池内各个电池芯的温度。最中心电池芯的 温度要比外侧电池芯的温度大约高 11℃。

由于许多电池芯制造商只允许在 5℃~45℃的温度范围内对电池进行充电,因此温度监测电路的位置和精度是非常重要 的。大多数电池芯制造商所允许的放电温度范围要宽一些,典型放电的温度范围是-10℃~+60℃,一些电池芯的化学成分可 以在略宽一些的温度范围内放电。由于充电所允许的温度范围较窄,在充电前可能需要对电池进行加热或冷却。受到成本和 空间的限制,加热和冷却设备通常安装在充电底座上,而不是安装在电池的内部。电池内的微控制器和充电底座的控制器会 互相传送温度信息。

到此为止,我们还只是考虑了高功率电池的安全问题。当安全成为电池设计中唯一的最重要因素时,精心设计的产品也采用 了适当的步骤以帮助确保良好的用户体验。新一代的锂电池通常包含更多电池芯,并且在电池和系统中增加了保护和监测电 路。相比于之前的镍镉电池,增加或者替换电池的成本将更高。这些新一代电池的用户不仅希望体验到性能的改善,同时也 希望能够获得更长的工作时间以及更短的充电时间。一种改善用户体验的方法就是在电池中实现电量平衡。

电量平衡是一种将电池中所有电池芯维持在相同充电状态的技术。串联的电池芯数量越多,电量平衡技术在提高电池性能和 延长电池使用寿命方面的优势就越大。由同一个制造商提供的大部分电池芯(尤其是同一批次的电池芯)在接受、保持以及释 放电荷的能力上是相当匹配的。然而,电池芯之间的微小差异以及电池芯在充放电时的温差可能导致不平衡情况。这些不平 衡情况可能大大地降低电池的可用性。

对于任何电池,一旦电池芯电压达到制造商所规定的充电终止电压,就必须停止充电过程。类似地,一旦电池芯电压达 到制造商所规定的放电终止电压,也必须停止放电过程。在一个不平衡的电池里,当第一个电池芯的电压达到充电截止电压 时,充电过程就被终止了。当第一个电池芯的电压达到放电截止电压时,放电过程就被终止了。由于在电池中的物理位置不 同,或是由于电池芯在制造过程中产生的细小差异,某些电池芯的充电和放电速度会比其他电池芯更快。在一个平衡的电池 中,电荷从高电位的串联电池芯转移到低电位的串联电池芯上。并联电池则可实现自我平衡。这个过程可能在电池充放电时 发生——尽管仅仅出于简化目的通常在充电周期中实现自我平衡。

下图显示了一个电池中的不平衡电池芯在多个充放电周期中的影响。当最初集成到一个电池中时,电池芯全部匹配良好,并 且处在相同的充电状态,但在经过多个充放电周期后,它们逐渐变得不平衡。这将导致极大的电池容量损耗,还大大降低了 电池的可用性。许多笔记本电脑的用户会发现这种这种情形,即在使用了几个月以后,以前通常能使用 4 小时的电池用不了 4 小时就没电了。

过去对电量平衡技术的争论通常是基于采用电量平衡技术需要更长的充电时间或者设计过于复杂而无法以合理的成本实现。 这一争论已不再成立。利用可处理高达 200mA 平衡电流的内部平衡 FET,ISL9208 系列器件可以快速轻松地以较低的成本实 现电量平衡。

锂电池的用户热切期望这些新的产品能够具有更轻的重量,更高的性能以及其他的优点。通过采用上述技术,有可能设 计出能满足所有安全要求,具有丰富的用户体验的高功率电池,并且以合理的成本。利用诸如 ISL9208 系列器件的集成 AFE, 设计人员能够以最少的外部元件以及相对较低的总体成本,设计出优秀的产品。


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