×
电池 > 电池技术 > 详情

锂离子电池组充放电保护和容量均衡控制电路X3100/X3101应用

发布时间:2020-09-15 发布时间:
|
1. 概述

  X3100用于四只串联单体锂离子电池保护和容量均衡,X3101用于三只串联锂离子电池组保护和容量均衡。这两种器件内部都具有过充电、过放电和过电流保护及延时电路、EEPROM存贮器、稳压器、控制充放电和电压均衡的外接MOSFET的驱动电路、结构寄存器、控制寄存器、状态寄存器、模拟多路转换开关和SPI串行接口等如图1所示。

图1 X3100/X3101内部结构框图


  过充电、过放电和过电流门限值存贮在内部EEPROM存贮器中电池的种类和参数也可写入该存贮器,组成数字化电池组。各种保护门限值都可利用3MHz的SPI串行接口通过软件独立选择,同时利用外接电容器可以改变各种保护的延迟时间。

  利用内部模拟多路转换开关,通过外部带有A/D变换器的微控制器,X3100/X3101允许从器件外部监控单体电池的电压和电流(利用电流采样电阻),该控制器的软件可算电池组的现有容量,同时利用软件还可实现单体电池电压均衡等功能。

  X3100和X3101内部含有一个电流采样放大器,该放大器可选增益为10、25、80和160。这样利用外部10位A/D变换器获得的分辨率高于昂贵的14位A/D变换器。

2. 工作原理

  X3100和X3101可实现单体锂电池保护,它具有两种不同的工作状态。

  首先,在正常工作状态下,该器件周期地检测每个单体锂电池的过充电和过放电状态,同时还连续监控电池组的过电流状态。各种保护状态的门限值可由用户通过软件来选择。达到某个保护门限值时,放电控制MOSFET、充电控制MOSFET或充放电控制MOSFET立即关断,从而保护电池组。在过放电状态下,X3100和X3101进入低功耗休眠状态,从而节省电池的能量。在休眠状态下,内部稳压器关断,停止对微控制器供电,这样可进一步减小电池组的供电电流。

  另外,在监控状态下,带A/D变换器的微控制器,通过模拟多路转换器输出脚 AO和X3100或X3101内部的模拟多路转换器MUX测试每只单体电池的电压和电池组的电流。该器件可实现过充电、过放电保护、电池组内各单体电池容量均衡,电池组现有容量计算等功能,用户利用软件算法,可以使设定门限值满足各种锂电池的要求和所用单体锂电池的要求。为了监控这些电压,所有保护电路均连续工作。

  在典型应用电路中,为了适应智能电池系统的接口协议,微控制器也应当是可编程的,以便提供SMBus接口。加入这些功能后,由X3100或X3101组成的模块可达到最新的工业电池组标准。

[page]3. 引脚排列

  X3100或X3101引脚排列如图2所示,各引脚的功能说明如下:

  VCELL1~VCELL4:单体电池电压输入脚。
  CB1~CB4:单体电池电压均衡控制脚。
  VCS1~VCS2:电流取样输入脚。
  OVT:过充电电压检测延迟时间控制脚。
  UVT:过放电检测/释放延迟时间控制脚。
  OCT:过电流检测/释放延迟时间控制脚。
  AO:模拟信号输出脚。
  SI:串联数据输入脚。
  SO:串联数据输出脚。
  SCK:串联时钟。
  
:芯片选择脚。
  OVP/LMON:过充电电压保护/负载监控脚。
  UVP/OCP:过放电保护/过电流保护脚。

4. 典型应用电路

  X3100和X3101典型应用电路如图3所示,VT1和VT2分别为放电控制MOSFET和充电控制MOSFET。因为VT1和VT2都是P沟道器件,所以当栅极电压为Uss时,VT1和VT2导通,当栅极电压为Ucc时,VT1和VT2关断。放电MOSFET用于控制电池组放电,而充电MOSFET用于控制电池组充电。当放电MOSFET关断时,电池组的充电电流流过二极管VD1 。当充电MOSFET关断时,电池组的放电电流流过二极管VD2。VD1 和VD2集成在功率MOSFET VT1和VT2内部。应当说明,当充电MOSFET和放电MOSFET都关断时,电池组既不能充电,也不能放电。

  电源电压通过二极管VD6和VD7加到X3100或X3101的Vcc脚。这样在正常工作状态下,X3100或X3101由锂离子电池组供电。当电池组充电时,X3100或X3101由外部电源(比如充电器)经P+脚供电,因此VD6和VD7的电压和电流额定值必需满足电池组充放电的要求。

  稳压器的工作原理将在“稳压器”一节中说明。该稳压器输出5V±0.5%电压。接在RGO脚与接地脚之间的电容C1可以对RGO输出电压滤波。C1可选用0.1μF或更小的电容器。当X3100或X3101进入休眠状态后,C1的容量应保证稳压器输出电压URGO在170ms以内降低到0.1V。如果衰减时间较长,C1两端可并联电阻R1。

  在导通周期开始时(tPUR+tOC),稳压器输出电压必须稳定在5V±10%,选择微控制器时,应当考虑稳压器输出电压的变化,导通周期结束时,稳压器输出电压应当稳定在5V±0.5%,这样,稳压器的输出电压,可作为微控制器中A/D变换器的基准电压。

  利用热敏电阻RT和普通电阻R,T组成简单的电阻分压器,可以采样电池组的温度。热敏电阻两端电压UT加到微控制器内的A/D输入端,用来测试和监控电池组的温度。选择RT时,应当考虑热敏电阻RT的动态电阻变化范围以及微控制器A/D输入端输入电压的范围,微控制器的输出可以用来接通热敏电阻分压器并且周期地接通温度采样电路,这样,热敏电阻分压器中就没有连续电流流过,因此可减小电源的功耗。

  接入二极管VD3便于在过流保护状态下监控负载的变化,同时,在正常工作状态下,可防止电流流入OVP/LMON脚。在休眠状态下,N沟道MOSFET关断,这种功能消失。

  电阻RPU接在充电控制MOSFET(VT2)的栅极和漏极之间。放电控制MOSFET(VT1)被X3100或X3101关断后,OVP/LMON脚的电压将达到最大值,其值等于电池组的端电压减去正向偏置二极管的电压降(UP+-UVD7)。因为充电控制MOSFET(VT2)的漏极接有较高的电位(UP+),所以当OVP/LMON脚电压为Ucc时,为了确保充电控制MOSFET完全关断,必须接入阻值为1MΩ的上拉电阻RPU。

  X3100或X3101的单体电池电压监控输入脚VCELL1到VCELL4的外接电容和电阻,组成低通滤波器,用来消除电压监控输入脚的干扰信号,这些干扰信号包括:

    ·接通/关断充电器或用电设备时,电池组两端产生的瞬变电压
  ·某些东西或某人接触电池接点时产生的静电放电(ESD)
  ·用电设备中未滤除的噪声
  ·周围环境在电池组中产生的射频(RF)信号

  这些干扰不仅能够引起X3100或X3101工作不正常,还可能损坏器件。为了滤除干扰,电容器可选用0.01μF陶瓷电容器,电阻的阻值应为10KΩ。为了减小干扰,PCB板上的布线应当尽可能短而宽,以便减小布线的阻抗,同时,各单体电池应当尽可能接近X3100或X3101的监控输入脚。

  电阻RCB及其相连的N沟道MOSFET(VT6~VT9)用于均衡单体电池的电压。微控制器和SPI端口通过X3100或X3101内部的驱动电路控制开关MOSFET(VT6~VT9)导通与关断。VT6~VT9中任意一只导通时流过该MOSFET的电流受串联电阻RCB限制。因此,可以控制每只单体电池两端的电压。采用锂离子电池组时,各单体电池两端电压不均衡,将大大减小电池组的有用容量,电阻RCB的阻值应根据具体应用而变。

  X3100或X3101内部4Kbit的EEPROM存贮器用于存贮电池的特性,如现有容量、电池组经历、充放电循环次数、最低/最高工作电压、电池组生产日期以及其他信息也都可存入EEPROM阵列。SPI串行母线提供与EEPROM的通信线路。

  电流采样电阻RSENSE用来测试并监控流入或流出电池组的电流,从而防止电池组出现过电流状态。电阻RSENSE也用于通过微控制器从电池外部监控电池组的电流。

  接在电池组外面的微控制器通用I/O端口需要接入VT4和VT5在某些情况(休眠状态)下,不接这些MOSFET上拉电阻可能将电压加到微控制器的Vcc脚,这个电压可能影响X3100或X3101内部稳压器的电压。这些MOSFET应当通过微控制器导通。

5. 通电时序

  各单体电池接入保护电路后,X3100或X3101进入并维持在休眠状态,电池组不能正常供电。为了使X3100或X3101脱离休眠状态,大于16V(X3100的USLR)或12V(X3101的USLR)的电压应当加到Vcc脚,使电池组处充电状态。

  USLR加到Vcc脚后,模拟信号选择脚(AS2~ASO)和SPI通信脚( 、CLK、SI、SO)必须为低电平,这样X3100或X3101通电后才能进入正常工作状态。利用通电复位电路,可以完成这种功能。
不管是由接通电源后,或者是从休眠状态转入正常工作状态后,控制寄存器所有各位均为零。UVPC和OVPC位为零,充电控制和放电控制MOSFET均关断。微处理器通过SPI端口使MOSFET导通以前,应当检测电压和电流,软件应当避免MOSFET在起始测试/校准周期内导通。起始测试/校准周期应为tov+200ms或者tuv+200ms中持续时间更长的。

[page]6. 内部保护功能

  X3100和X3101除了周期地监控过充电和过放电状态外,还连续监控过流状态。当出现保护状态时,自动关断外接的充放电控制MOSFET,并且,当保护状态消失后,充放电控制MOSFET可自动恢复导通。

  过充电电压UOV、过放电电压UUV和过电流检测电压UOC门限值都可通过软件单独选择,并且存贮在内部非易失性寄存器中。这样可以满足特性不同的锂离子电池对保护参数的要求。

  过充电保护延迟时间tOV、过放电保护和释放延迟时间tUV/tUVR,以及过电流保护和释放时间tOC/tOCR,都可以通过改变OVT、UVT和OCT脚外接电容的容量来改变。

  6.1 周期性保护监控

  在正常工作状态下,模拟信号选择脚设定为AS2=L AS1=L AS0=L。在这种状态下,为了节省能源,过充电和过放电保护电路通常处于关断状态,但是通过内部的保护采样速率定时器(PSRT)周期地接通过充电和过放电保护电路。在125ms周期内,过充电和过放电保护电路大约导通2ms。在正常工作状态下,过流状态是连续监控的。在监控状态下,过充电和过放电状态也是连续监控的。

  6.2 过充电保护

  X3100和X3101监控电池组中任意单体电池的电压(UCELL)。如果任意一只单体电池的电压UCELL高于过充电保护电压UOV,并且持续时间超过过充电延迟时间tOV后,外接的充电控制MOSFET关断(OVP/LMON脚电压为UCC)。X3100和X3101进入过充电保护状态。应当说明,此时UVP脚电压控制的放电MOSFET将不受过充电状态影响。

  在过充电保护状态下,控制寄存器中的OVPC位的状态有可能改变,这样将使OVP/LMON脚电压变为USS(充电控制MOSFET导通),但是X3100和X3101脱离过充电状态以前,OVP脚的电压将不改变。
改变OVT和GND脚外接电容器COV的容量可改变过充电保护延迟时间tOV。典型的过充电延迟时间tOV如表19所列。延迟时间可按下式近似计算:



  在过充电状态下,该器件仍连续监控单体电池的电压,当所有单体电池的电压UCELL都低于过充电释放电压UOVR时,该器件脱离过充电状态,同时充电控制MOSFET自动导通(OVP/LMON脚电压变为USS)。在该器件脱离过充电保护状态时,放电控制MOSFET的工作不受影响。

6.3 过放电保护

  如果任意单体电池的电压UCELL低于过放电保护电压UUV,并且持续时间大于过放电延迟时间tUV后,电池组将进入过放电保护状态。此时,X3100和X3101输出信号使放电控制MOSFET自动关断(UVP/OCP脚电压变为UCC)。然后,该器件进入休眠状态。此后X3100/X3101必须完成以下步骤,电池组才能放电:

  ── X3100和X3101脱离休眠状态。
  ── 必需利用微控制器并经过控制寄存器使充电控制MOSFET导通(OVP/LMON脚电压变为USS)。
  ── 所有单体电池的电压UCELL必须高于过放电释放电压UUVR并且持续时间必须超过过放电释放延迟时间tUVR。
  ── 必须利用微控制器并经过控制寄存器使放电控制MOSFET导通。
  
  过放电保护和过放电释放延迟时间tUV和tUVR,可以通过改变UVT和GND脚外接电容器CUV的容量来改变。tUV、tUVR与CUV的关系如下:


6.4 过电流保护

  在工作过程中,除了监控每只单体电池的电压外,X3100和X3101还连续监控电流采样电阻RSENSE两端的电压UCS21(即UCS2-UCS1),如果UCS21高于过电流保护门限电压UOC并且持续时间大于过电流检测延迟时间tOC后,X3100和X3101将进入过电流保护状态,如图4所示。在该状态下,放电控制MOSFET自动关断(UVP/OCP脚电压变为UCC),因此电流不能流过P+和P-端。

图4 过电流保护电路


  只要进入过电流保护状态,X3100和X3101就开始监控负载。

  在负载监控状态下,为了检测负载电阻,OVP/LMON脚输出很小的负载监控电流(ILMON=7.5μA 典型)。如果负载电阻大于150KΩ(ILMON=0μA)并且持续时间超过过电流保护释放时间tOCR后,X3100和X3101将脱离过电流状态。放电控制MOSFET自动导通(UVP/OCP脚电压变为USS)。

  改变OCT和USS脚外接电容器COC的容量,可以改变过电流检测和释放延迟时间tOC和tOCR、tOC和tOCR与COC的关系如下:

『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』

热门文章 更多
电动车蓄电池的使用注意事项