基于飞电容技术的动力锂离子电池组保护系统

近年来，越来越多的锂离子电池厂家加入到动力锂离子电池的研发队伍中，尽管动力锂离子电池相对于镍氢、铅酸以及镍镉电池在比能量、体积、寿命、环保性等各方面都具有无可比拟的优势，而且它的规模应用也是大势所趋，但电池组的成本、安全性等方面的因素仍然制约着动力锂离子电池市场的扩大。锂离子电池都需要配备电子保护系统，以防止电池出现过充或过放而发生爆炸，但由于各厂家制造动力锂离子电池所采用的材料以及配方均不尽相同，致使电池的过充、过放保护电压多种多样，采用现有的锂电单节或多节保护IC均不能满足如此众多的电压需求。冈此，本文将介绍一种低成本、可靠、适应性广的锂离子电池组保护系统，以解决目前的困境。

1 锂离子电池组保护系统功能

本文所介绍的锂离子电池组保护系统是针对10节串联的动力锂离子电池组而设计，功能如下：

a)对电池组中每一节电池的端电压进行监控，一旦发现某一节电池电压出现过充或过放，将切断主回路开关。

b)保护系统的过充、过放等电压保护值可由用户任意设置，设置范围为2.O V～4.5 V。

c)具有断线保护功能。每个电池的正负极均有检测线连接至保护系统，当电池组由于受震动等原因，检测线出现断路，保护系统能马上发现并立即切断主回路。目前基于单节或多节锂电保护IC的设计方案，均不能进行断线检测。

d)具有过流及短路保护功能。当保护系统发现负载出现短路或过流，将立即切断放电主回路，直至负载撤除后，再恢复主回路开关。

2 "飞电容"检测原理

图1足"飞电容"的工作原理图。



图中：K1是双刀双掷开关，当K1切换至直流源信号Vi一侧时，Vi对C1进行充电，经过短暂的充电后，C1两端的端电压应该与Vi相同，此时把K1切换至Vo一侧，由于电压跟随器的输入阻抗无限大，而且C1有储能作用，Vo应该与C1两端的电压相同，从而实现对Vi的测量。"飞电容"测量技术适合于对慢速变化的直流信号进行测量，动力锂离子电池本身可以看做一个容值很大的电容，其端电压的变化较缓慢，因此，该技术完全可用于动力锂离子电池组的电压测量，有效消除共模干扰。

3 系统实现原理

图2为基于"飞电容"技术的动力锂离子电池组保护系统的原理框图。



该系统分为两个单片机控制的子模块，模块1负责管理低端的7节锂离子电池，模块2负责管理高端的3节锂离子电池，两个模块的"地"相互独立，高端和低端两个模块通过输出过充、过放控制信号，控制具有串联关系的两对开关(Ka1和Ka2、Kb1和Kb2)，实现对主回路充放电MOS管的控制。

系统中所用的单片机为MICROCHIIP公司的PIcl6F676单片机，该单片机功耗极低，具有8路10位的A/D转换通道，12个I/O引脚，1024字Flash程序存储区，60字节SRAM，十分适合本系统的检测控制。

模块1中，由于每一个开关均要承受30 V以上的直流高压，故4通道开关切换阵列用一片MAX309实现。MAX309是一片4选1、双通道的多路开关，通过选址实现通道的选择。开关KA(1～4)负责把电池的正极连接至"飞电容"C1的正极，开关KB(1～4)负责把电池负极连接至"飞电容"C1的负极。3通道开关切换阵列结构与4通道开关切换阵列类似，只是通道数少1路。工作时，单片机发出通道选址信号，让其中一路电池的正负极与C1连接，对C1进行充电，然后断开通道开关，接通到跟随放大器的开关，单片机对电容C1的电压进行快速检测，由此完成了对一节电池的电压检测。若发现检测电压为OV，则可推断出电 池可能发生短路、过放或保护系统到电池的检测线断路，单片机将马上发出信号切断主回路MOS管。重复上述过程，单片机即完成对本模块所管理的电池的检测。

模块2中，由于管理的电池数只有3节，多路开关的耐压只要能承受13 V以上即可，故选用价格较低的MC14051实现，控制原理与模块1相同。

保护系统还设有过流及短路检测比较器，通过检测电流流过放电MOS管所产生的压降，与基准电压相比较后，单片机根据比较器的输出电压，得出是否发生短路或过流的判断，在延时一段时间后，若过流或短路情况仍然存在，则马上切断放电回路，直至过流或短路负载撤除为止。

4 软件设计

由于电池的电压变化较慢，所以对电池电压的监控采取占空比为1：9的间歇性工作方式。图3为主程序的处理流程图。图中，除了睡眠进程外，其余进程均为工作进程，工作进程只占1/10的时问，而睡眠进程占9/10的时间。

系统工作时的耗电是200μA，睡眠时的耗电是12μA，那么系统平均耗电将是30.8μA，系统的功耗可以大大降低。

另外，由于系统是由单片机程序进行控制，针对不同电压要求的动力锂离子电池，只需出厂前修改程序中电池的过充过放保护值，即可适应不同类型的锂电保护要求。



5 结束语

动力锂离子电池组的监控是一个全新的课题，本文提出了一种低成本、低功耗、高可靠性以及适应性广的锂电保护系统设计方法，通过采用"飞电容"技术，实现了对电池组过充、过放保护以及断线检测等各种保护功能。