基于ISL9208的大容量锂电池组系统电路设计

　　介绍了以ISL9208为核心的大容量锂电池组管理系统的工作原理， 给出了通过ISL9208实现对电池组中单体电池的电压、电流、温度等参数的实时检测， 并通过单片机对单体电池进行过压、过流、欠压、温度保护以及充放电均衡的实现方法。

　　为此， 本文使用Intersil公司的锂电池微控模拟前端芯片ISL9208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。

　　系统硬件设计

　　本文给出的电池组管理系统的硬件如图所示。图2所示是其实际电路连接图。

　　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。

　　控制芯片P87LPC768

　　P87LPC7XX 系列是基于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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　芯片内部温度以及外部电池组的温度测量和控制

　　芯片的内部过热主要是由于内置均衡电流产生的热能造成的， ISL9208自身集成有内部IC过热后停止电池均衡的功能， 因此不需要外置电路来监控芯片自身的温度。锂电池的正常工作温度范围在0℃至50℃之间， 温度过低， 电池将无法工作， 而过高则容易导致爆炸， 因此， 对电池组的温度控制尤为重要。一旦温度达到一定程度， 就必须使用外部散热设备对电池组进行散热， 超过警戒温度应马上中断电路， 以保证安全。

　　本文给出了一种5~7节锂电池串联管理系统的设计方法。该方法结构简单、精度适中， 能满足大多数大容量锂电储能场合的管理需要。另外， 如果串联的锂电池数目更多， 也可以将多个ISL9208并联， 以实现更大的扩展。