基于ISL9208的大容量锂电池组系统设计

引言

　　锂离子电池以其优异的性能在实际中得到了广泛的应用。随着电池制造水平的提高， 锂电池的安全性能逐步提高， 价格也不断下降， 因此，在一些大容量储能设备中， 也越来越多地使用锂电池作为电源。

　　锂电池自身对充放电的要求很高， 一旦过冲很容易引起爆炸， 而过放则会造成电池的永久损坏， 因此， 使用不当极易造成人员财产损失。特别是在大容量的串联锂电池组的使用上， 必须设计和安装相关的监测、控制设备， 以杜绝上述情况的发生。另外， 由于单体电池在生产过程中所存在的不一致性， 串联使用之后的多次充放电会加剧这种不一致性， 从而极大地影响整个电池组的寿命， 因此， 电池组的均衡控制极为重要。

　　为此， 本文使用Intersil公司的锂电池微控模拟前端芯片ISL9208和Philips公司的小型封装系列控制芯片P87LPC768 (OTP单片机) 为主要元件，给出了一种大容量锂电池组管理系统的设计方法。该系统可实现锂电池组中单体电池的电压监测和过冲、过放保护， 以及锂电池组充放电的过冲电流保护， 同时可对锂电池组的温度进行监控以保证每个电池最大200 mA的充电平衡电流。

　　1 系统硬件设计

　　本文给出的电池组管理系统的硬件结构如图1所示。图2所示是其实际电路连接图。

图1 系统硬件结构框图.

图2 大容量锂电池组管理电路。

　　当系统接入外部负载或者充电器时， 使用一个外部开关将ISL9208的WKUP引脚拉到高电平，从而唤醒微控制器模拟前端ISL9208， 唤醒后的ISL9208则通过内置的3.3 V稳压器从RGO口输出3.3 V电压来驱动控制芯片P87LPC768， 这样，MCU上电后就可使整个系统开始运转。

　　MCU可通过I2C接口与ISL9208进行通信， 以设置好ISL9208的内部寄存器， 同时监控单体电池的电压状况， 并根据每个电池的具体参数判断电池的状态， 再通过均衡模块对单体电池进行保护， 以防止过冲和过放。

　　1.1 控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是Philips 公司生产的基于80C51加速处理器结构的小型OTP单片机， 它的性能是标准80C51MCU的两倍， 并且价格低廉，易于成本控制。P87LPC768 内部集成有4KB 的OTP程序存储器和可编程的I/O端口， 4通道多路8位A/D转换器和I2C通信接口。由于ISL9208有I2C接口， 因此， 使用P87 LPC768可直接相连， 而不需要软件模拟， 故较为方便。

　　1.2 ISL9208

　　ISL9208IRZ是Intersil公司生产的多节串锂电池*流保护器件和微控制器模拟前端， 可支持5~7节串联电池组。它内部集成了过流保护电路、短路保护、内部3.3 V稳压器、电芯平衡开关、电压监测电平转换器和I2C通信接口。ISL9208的内部结构如图3所示。

图3 ISL9208的内部结构图。

　　(1) ISL9208的电压测量和充放电电压保护。

　　ISL9208通过VCELL1~7可直接测量每个电池的电压， 但是， 每个电池的电压都比稳压器的电压要高， 特别是高处的电池电压可能高于MCU所能接受电压， 所以， 在MCU测量和外部A/D转换时， 必须进行电平转换和分压。为了进入外部电路要求的电压范围， 可用电平转换器把电池电压以VSS为基准都除以2。以使典型4.2 V的锂电池在I/O口的电压变为2.1 V输出给外部。

　　在充电过程中， MCU将周期性地测量每个单体电池的电压， 并与初始设定值相比较， 如果大于初始设定值， 则MCU通过控制ISL9208的CFET引脚电压， 可使外置的N道沟FET关断， 以使充电停止， 从而保护电池组。

　　而在放电过程中， 当MCU检测到任何一个电池欠电压时， 同样可对ISL9208写入一个控制位，以控制DFET引脚的电压并关断外部FET， 以达到防止过放电的目的。

　　(2) ISL9208的电流测量和过电流保护。

　　ISL9208可以选择两种方式充放电， 一种是充放电电路整合到一起， 另一种是分离式。它们两者的区别在于整合方式充放电电路共用一个电路， 而分离方式则分别用2个引脚检测充放电电流， 充电时放电检测停止， 反之亦然。本系统采用整合方案， 因此， CSENSE 引脚直接接地，DSENSE引脚则通过一个外接电阻来测量电压，从而测量充放电电流。需要注意的是， 此时的参考地是DSREF引脚。

　　在充电过程中， 当DSENSE的测量电压超过设定值且时间超过设定延时时， ISL9208将进入过流保护和短路保护模式。此时， MCU会通过芯片控制CFET引脚电压， 以关断外部FET， 从而断开电路， 避免过流引起的电池组安全事故。同理， 在放电时， 如果检测到放电短路， 系统也通过控制DFET引脚的电压来关断外部FET以达到控制之目的。

由于本设计针对的是大容量的锂电池串联使用的场合， 其充电电流和放电电流都比较高， 因此， 电路中的外置FET推荐使用能通过大电流而且稳定性较好的IR