電池組的保護(hù)及監(jiān)視器和電量計(jì)在電池組中的作用

 圖1：基于功能和串聯(lián)電池節(jié)配置的電池組選型指南

在為便攜式應(yīng)用選擇鋰離子電池組時(shí)，不論是智能手表還是電動(dòng)自行車，這項(xiàng)任務(wù)并不像它看起來那么讓人望而怯步。鋰離子電池組有3個(gè)基本功能：保護(hù)、監(jiān)視和電量計(jì)量。這3個(gè)功能通常由單個(gè)器件處理;然而，某些器件能夠用集成度更高的解決方案來實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。事實(shí)上，由合適組件組成的電池組和這3個(gè)功能將提高系統(tǒng)性能、提供更多保護(hù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。本文第一部分將深入探討電池保護(hù)。連同下面給出的信息，你一定要看一看圖1的選型指南，以幫助你根據(jù)電池的大小來選擇正確的器件，在這里1S表示1 = 1節(jié)串聯(lián)，2S = 2節(jié)串聯(lián)，等等。

保護(hù)

電池組器件包含多種特性;然而，保護(hù)是它們的主要功能，在選擇器件時(shí)應(yīng)該將其作為主要考慮因素。有兩種不同的保護(hù)類型：

·電壓保護(hù)由內(nèi)部比較器組成，它們持續(xù)測(cè)量單個(gè)電池節(jié)的電壓，將其與過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 閥值相比較。電壓保護(hù)被認(rèn)為是第一級(jí)保護(hù)，并且是任一鋰離子電池組所必須具有的保護(hù)功能。

·電流保護(hù)的工作方式與電壓保護(hù)相似，不過它有一個(gè)計(jì)算流經(jīng)電池組電流的感測(cè)電阻器，并且將這個(gè)電流值與電流閥值相比較，根據(jù)極性，檢測(cè)過流或短路情況。如果電池的電流超過了閥值，那么一個(gè)充電 (CHG) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 或放電 (DSG) FET打開，以斷開電池，并防止進(jìn)一步損壞。

保護(hù)功能并不總是限于電壓和電流方面;例如，某些高電池節(jié)數(shù)量應(yīng)用需要開路檢測(cè) (OCD)。這個(gè)類型的保護(hù)確認(rèn)監(jiān)視器始終與每節(jié)電池相連。諸如bq76925的電池監(jiān)視器器件，配備有OCD，是非常常見的電動(dòng)工具應(yīng)用。

在為你的電池組選擇保護(hù)功能時(shí)，請(qǐng)考慮：

·一個(gè)獨(dú)立保護(hù)器(只提供硬件保護(hù))。

·具有硬件保護(hù)功能的監(jiān)視器。

·具有固件保護(hù)功能的電量計(jì)。

·上述3者的組合。

為你的電池組選擇具有所需保護(hù)功能的合適組件將取決于你的應(yīng)用要求。

為了達(dá)到冗余的目的，諸如OV保護(hù)器的簡(jiǎn)單保護(hù)器提供最后一道保護(hù)功能。具有二級(jí)保護(hù)的應(yīng)用包括筆記本電腦、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車和電工工具。在某些諸如智能手表和手機(jī)的單節(jié)電池設(shè)備中，由于只有一節(jié)電池，也就無需監(jiān)視器了。在這些單節(jié)電池應(yīng)用中，具有內(nèi)置固件保護(hù)功能的電量計(jì)是不錯(cuò)的選擇。如果你對(duì)固件保護(hù)情有獨(dú)鐘，那么與單節(jié)電池高級(jí)保護(hù)器配對(duì)使用的簡(jiǎn)單電量計(jì)，比如說bq29700，就更合適一些。

在硬件和固件保護(hù)二者之間，有幾點(diǎn)需要注意。兩種保護(hù)類型都是有效的，不過在選擇其中任一保護(hù)類型時(shí)，你必須權(quán)衡，作出取舍?；诠碳谋Ｗo(hù)常見于電量計(jì)或MCU，而硬件保護(hù)常用于獨(dú)立保護(hù)器或監(jiān)視器中，不過有幾款電量計(jì)也具有硬件保護(hù)功能。兩者之間的主要差異在于，硬件保護(hù)實(shí)際上使用的是內(nèi)部電路(比如說比較器)來比較內(nèi)部寄存器，或者保存閥值數(shù)值的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)，以查看是否已經(jīng)出現(xiàn)故障?；诠碳谋Ｗo(hù)使用電量計(jì)的內(nèi)部算法來比較電池節(jié)的測(cè)量值與代碼中寫入的閥值。有時(shí)也具有這兩種保護(hù)類型來實(shí)現(xiàn)冗余。

一個(gè)鋰離子電池組需要保護(hù)功能，在保持電池安全性的同時(shí)，確保應(yīng)用的運(yùn)行時(shí)間能夠更長(zhǎng)。通過防止電池性能降低或爆炸等更糟糕情況的發(fā)生，一個(gè)好的保護(hù)解決方案能夠有益于你的系統(tǒng)運(yùn)行。下文將深入地談一談監(jiān)視器和電量計(jì)，以及它們?cè)陔姵亟M中所發(fā)揮的作用。介紹創(chuàng)建安全和健康電池組所需的其它兩個(gè)元件：采集電池組中每節(jié)電池的診斷信息，并提供保護(hù)功能的監(jiān)視器，以及智能計(jì)算電池荷電狀態(tài)和健康水平的電量計(jì)。

監(jiān)視器和電量計(jì)

監(jiān)視器(模擬前端 (AFE))

由于保護(hù)功能是所有電池組電子元件的主要功能，一般的電池組器件都配備有某些級(jí)別的保護(hù)功能。例如，一個(gè)電池監(jiān)視器(模擬前端 [AFE])被設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)以下功能，或混合功能：

·測(cè)量單節(jié)電池電壓、電池組電流和電池組溫度(通過一個(gè)單獨(dú)的溫度傳感器測(cè)量)。

·驅(qū)動(dòng)一個(gè)為其它組件供電的集成LDO，比如說電量計(jì)或微控制器 (MCU)。

·驅(qū)動(dòng)一個(gè)電池平衡網(wǎng)絡(luò)，以確保電池組中的每節(jié)電池在充電時(shí)保持一致。

·驅(qū)動(dòng)充電 (CHG) 和放電 (DSG) FET來保護(hù)電池組。

·提供包括電壓和電流保護(hù)功能在內(nèi)的混合硬件保護(hù)功能。

如你所見，監(jiān)視器提供針對(duì)電池組的關(guān)鍵功能。這些功能使得監(jiān)視器對(duì)于電池組來說極其重要;然而，需要注意的一點(diǎn)是，并不是所有的應(yīng)用都需要獨(dú)立監(jiān)視器。某些電池節(jié)數(shù)量較低的應(yīng)用(少于5節(jié)電池)不使用監(jiān)視器;而使用的是諸如bq40z50-R1等包含監(jiān)視功能的多合一電量計(jì)(保護(hù)器、監(jiān)視器和電量計(jì))。此外，所有監(jiān)視器需要某些形式的主機(jī)、MCU或電量計(jì)來對(duì)其進(jìn)行控制，并且接收電池節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)等通信信息。

電量計(jì)

現(xiàn)在，我們來談一談電量計(jì)到底是什么器件，以及如何選擇一款電量計(jì)。一個(gè)電量計(jì)就意味著要去計(jì)量。換句話說，它的工作就是估計(jì)或確定某些參數(shù)的幅度、數(shù)量或大小。在一個(gè)電池組中，電量計(jì)計(jì)算2個(gè)東西：荷電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)。SOC是指電池內(nèi)支持系統(tǒng)運(yùn)行的所剩電量，而SOH是電池壽命的測(cè)量值，并決定是否需要更換。然后，這個(gè)電量計(jì)將知道何時(shí)提示系統(tǒng)注意這些數(shù)值，這樣的話，用戶就可以采取正確的操作了。在選擇電量計(jì)時(shí)，你可以采取以下3條途徑中的任何一個(gè)，可以選擇：

·一個(gè)多合一電量計(jì)(配備有監(jiān)視器 (AFE)，以及某些種類的保護(hù))

·一個(gè)不執(zhí)行任何監(jiān)視或保護(hù)功能的分立式電量計(jì)。

·一個(gè)MCU。

分立式電量計(jì)是具有特殊固件，能夠執(zhí)行電量計(jì)量活動(dòng)的器件。選擇MCU，而不選擇電量計(jì)將取決于你在電量計(jì)量算法開發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)，或者說，你是否更喜歡使用準(zhǔn)確的、現(xiàn)成可用、易于上手的器件。TI擁有大量的支持不同算法的產(chǎn)品組合，每一種算法都有其自身的復(fù)雜度和精確度等級(jí)。例如，我們的Impedance Track 算法，能夠提供非常精密的準(zhǔn)確度，誤差率為1%。

需要知道的最后一件事情就是，在電池組內(nèi)，分立式電量計(jì)對(duì)監(jiān)視器所發(fā)揮的作用。在這個(gè)情況下，電量計(jì)是控制監(jiān)視器的大腦，并且完成設(shè)定保護(hù)閥值或驅(qū)動(dòng)保護(hù)FET等操作。

所有電池組具有3個(gè)基本功能：保護(hù)、監(jiān)視和電量計(jì)量。電池組可以包含一個(gè)單芯片解決方案(例如bq40z50-R1)或一個(gè)多芯片解決方案;這二者均有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。電池組中的保護(hù)功能也許是一個(gè)獨(dú)立器件，或者包含在電量計(jì)或監(jiān)視器中。出于冗余的目的，硬件和固件保護(hù)能夠一起工作。監(jiān)視器依賴主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信的目的，而一個(gè)電池組需要具有某種電量計(jì)量算法的電量計(jì)或MCU。