设计高电压电池组的简单方法

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：

l  电池组的过流监测和短路监测

l  电池芯的过压和欠压监测

l  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 

Figure 2

在阶段A，工具从初始复位条件开始启动。电锯需要超过在阶段B，使用者开始切割一块干燥的木头，电锯需要在阶段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 

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I 

图2中的