設計高電壓電池組的簡單方法

　　在過去兩年左右的時間里，市場上出現了大量使用鋰電池芯的高電壓電池。這些新型的鋰電池組正在取代以前那些常用的鎳鎘或鉛酸電池組，并且顯示了更好的性能，兩次充電間隔之間更長的使用時間，以及在整個生命周期內更多的循環充電次數。在電動工具、電動自行車和輕型運輸車、不間斷電源、便攜式醫療和診斷設備，以及混合動力和混合動力電動車等需要更大功率的產品中，這些鋰電池組已經成為了標準裝備。除了性能的改善，鋰電池系統還具有重量更輕、使用時間更長、無記憶效應等優點，而且對我們的環境也有好處。

　　鋰電池的這些特點和優勢也是有代價的。在過去幾年中，我們目睹了很多電池召回事件，這些召回的電池大多是鋰離子電池。以前的鎳電池在電池組或系統內只有很少用于監測和控制電池的電子裝置，因此成本低、設計簡單。為滿足安全需要以及讓用戶容易使用，新型鋰電池組需要在內部安裝大量的電子裝置。這些安全特性通常包括：

• 　　電池組的過流監測和短路監測
• 　　電池芯的過壓和欠壓監測
• 　　電池組/電池芯的溫度監測

　　另外，可以加入電量平衡和電池容量監測功能以進一步改善用戶體驗。

　　諸如筆記本電腦和視頻攝像頭等電池供電產品，要求電池能夠相當穩定地供電。其他更有趣的設備，如電動工具和許多便攜式產品，需要電池能夠提供很大的瞬時功率。由于電動工具等設備可能提出一些苛刻的要求，它們的電池監測和保護電路也更加復雜，并且可提供典型筆記本電腦電池所不具有的更高級的保護功能。精心設計的多芯監測和保護電路，如Intersil的ISL9208系列產品的電路，可提供多級錯誤檢測功能，并且提供清除這些錯誤的時間窗口。同時，這些電路還提供硬限制，當超過這些硬限制時就可斷定發生了一個硬故障。

　　下面，我們以一個用在無繩電動工具或電動自行車上的鋰離子電池為例。該設計支持利用搭載兩個MOSFET的單路徑對充放電電流進行控制，如果需要，也可以支持獨立的充電和放電路徑。

　　該設計具有過電流和出現短路時的電池電流監測、單芯電壓監測、電池溫度監測以及高達200mA平衡電流的快速電量平衡等功能。在這個示例里，ISL9208用做模擬前端(AFE)，并且同一個外部微控制器協同工作。

　　AFE實現電池芯電壓的電平轉換，并且在模擬輸出端口(AO)上將真正的電池芯電壓輸出到微控制器上。微控制器利用這個信息監測每一個電池芯在充放電時的狀態，此外還可將其用于電量平衡。在提供每個電池芯的模擬電壓的同時，AFE還可將任何錯誤情況報告給微控制器。充放電FET可以由ISL9208直接控制，它們可提供自動保護機制，以最大限度降低微控制器在出現諸如過電流或者短路等嚴重錯誤狀態時導致保護延遲的可能性。在充電/放電模式中，可以禁用該特性。如果這個自動保護功能被禁用，ISL9208將繼續監控電流，并向微控制器報告錯誤情況，由微控制器控制ISL9208關斷MOSFET。這使系統設計師能夠靈活地實施特殊的充電管理算法。如圖1所示，對于需要7個以上電池芯串聯的電池，可以很容易地采用由一個微控制器和幾個AFE組成的芯片組方案。

　　Figure 1