為我們的鋰電池供電的系統(tǒng)，選擇正確的電池保護(hù)和監(jiān)測(cè)方案

1、前言

鋰離子電池能量密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，它們也沒(méi)有其他電池的記憶效應(yīng)。這些特性使它們對(duì)便攜式電子系統(tǒng)具非常大的優(yōu)勢(shì)。但是鋰離子電池也需要在規(guī)定的限制內(nèi)運(yùn)行才能安全使用，因此電池需要設(shè)計(jì)用于在超過(guò)限制時(shí)響應(yīng)或向系統(tǒng)提供信號(hào)的電子設(shè)備。

電池電子設(shè)備監(jiān)控多種條件，例如電壓、電流和溫度以及它們?nèi)绾坞S時(shí)間變化。他們需要感知這些參數(shù)的所需組合以做出響應(yīng)，無(wú)論是向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)、激活開關(guān)以防止充電或放電，還是打開保險(xiǎn)絲。下面的圖 1 顯示了如何在典型的電池組中配置電池電子設(shè)備的示例。

圖 1：電池組內(nèi)的電池電子設(shè)備

電池電子設(shè)備的類型取決于電池組的類型。簡(jiǎn)單的電池組可能只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的保護(hù)器，從基本的過(guò)壓保護(hù)器到響應(yīng)欠壓、溫度故障或電流故障的更高級(jí)的保護(hù)器。保護(hù)器還可以與監(jiān)視器或電池電量計(jì)一起用作輔助設(shè)備。

2、電池監(jiān)視保護(hù)方案選擇

許多用于更高單元數(shù)電池的先進(jìn)電池組需要電池監(jiān)視器。電池監(jiān)視器測(cè)量單個(gè)電池的電壓、電池電流和溫度，并將這些值報(bào)告給儀表或微控制器。系統(tǒng)使用此信息相應(yīng)地調(diào)整性能；例如，如果溫度太高，可以降低工作電流。電池監(jiān)視器可以提供電池平衡功能以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間以及電池壽命。監(jiān)視器還可以包括集成電路 (IC) 中可用的保護(hù)，但具有更高的可配置性。

儀表 IC 將電池監(jiān)視器的功能與控制器集成在一起，以提供先進(jìn)的計(jì)量算法。儀表 IC 報(bào)告剩余電池容量、運(yùn)行時(shí)間和充電狀態(tài)。基于軟件的算法可以進(jìn)一步增強(qiáng)保護(hù)。儀表通常包括其他有用的功能，例如幫助診斷現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障的電池組的黑匣子功能、最小和最大參數(shù)條件的壽命數(shù)據(jù)記錄、動(dòng)態(tài)充電器控制或安全電池的驗(yàn)證。

下面的圖 2 概述了不同類型電池電子設(shè)備之間的一些主要功能差異。

圖 2：保護(hù)器、監(jiān)視器和儀表之間的功能差異

在為我們的系統(tǒng)選擇最佳電池電子設(shè)備時(shí)，哪些功能最重要？

在評(píng)估每個(gè)電池電子選項(xiàng)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，重要的是要考慮每個(gè)選項(xiàng)的以下特征：

· 保護(hù)器件要使用簡(jiǎn)單的封裝，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

· 監(jiān)視器件提供最高設(shè)計(jì)的靈活性。我們可以針對(duì)我們的系統(tǒng)，為所需求功能，靈活的編輯代碼，當(dāng)這些需求是比較特殊的時(shí)候，這通常很重要。

· 儀表 IC 提供最高級(jí)別的集成度。它們提供高精度的充電狀態(tài)信息和更快的開發(fā)時(shí)間。

圖 3 顯示了使用 BQ769x0 電池監(jiān)視器的示例解決方案。該系列包括用于 5 節(jié) (BQ76920)、10 節(jié) (BQ76930) 和 15 節(jié) (BQ76940) 電池的器件。我們可以對(duì)系列中的任何設(shè)備使用相同的控制器軟件，從而使系統(tǒng)能夠靈活地串聯(lián) 3 至 15 個(gè)電池。

監(jiān)視器通過(guò)檢測(cè)電阻器連續(xù)測(cè)量電池電壓、溫度和電流，并將此信息報(bào)告給微控制器。它提供多種可配置的硬件保護(hù)，并將根據(jù)需要打開充電和放電場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 以響應(yīng)故障條件。微控制器可以根據(jù)監(jiān)視器提供的信息做出決定——它還可以啟用/禁用 FET；控制電池平衡功能；甚至根據(jù)電壓進(jìn)行一些基本的氣體測(cè)量，

圖 3：采用帶有微控制器的 BQ769x0 的示例電池監(jiān)控器解決方案

圖 4 是一個(gè)稍微先進(jìn)的電池組示例。在這里，我們可以看到與 BQ78350-R1 配套控制器配合使用的相同監(jiān)視器系列。BQ78350-R1 配備了專為直接與 BQ7620、BQ76930 或 BQ76940 數(shù)字顯示器配合使用而設(shè)計(jì)的固件，有助于加速產(chǎn)品開發(fā)。BQ78350-R1 還執(zhí)行電量監(jiān)測(cè)和健康狀態(tài)報(bào)告，并包括許多其他通常包含在 TI 電量監(jiān)測(cè)計(jì)中的功能，例如壽命數(shù)據(jù)記錄和黑匣子記錄。

圖 4：具有 BQ769x0、BQ78350-R1 控制器和電量計(jì)、BQ76200 高側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器和 BQ7718 二級(jí)保護(hù)器的高級(jí)電池組

許多系統(tǒng)需要冗余的二級(jí)過(guò)壓保護(hù)器。此示例采用 BQ7718 可堆疊過(guò)壓保護(hù)器，如果主保護(hù)器出現(xiàn)故障，它可以直接斷開保險(xiǎn)絲。

某些系統(tǒng)可能需要使用高邊 FET。高邊 FET 可實(shí)現(xiàn)與電池組的持續(xù)通信，無(wú)論它們是打開還是關(guān)閉。這意味著系統(tǒng)可以在出現(xiàn)安全故障的情況下讀取關(guān)鍵的包裝參數(shù)，并在允許操作恢復(fù)之前訪問(wèn)包裝條件。BQ76200 高側(cè) N 溝道 FET 驅(qū)動(dòng)器可與需要高側(cè) FET 的系統(tǒng)中的 BQ76920、BQ76930 和 BQ76940 監(jiān)視器完美配合。

為安全和電池性能設(shè)計(jì)鋰離子電池系統(tǒng)時(shí)，需要考慮許多因素。根據(jù)系統(tǒng)需要，可以選擇合適的保護(hù)器、電池監(jiān)視器。