电池组的保护及监视器和电量计在电池组中的作用

图1：基于功能和串联电池节配置的电池组选型指南

在为便携式应用选择锂离子电池组时，不论是智能手表还是电动自行车，这项任务并不像它看起来那么让人望而怯步。锂离子电池组有3个基本功能：保护、监视和电量计量。这3个功能通常由单个器件处理；然而，某些器件能够用集成度更高的解决方案来实现多个功能。事实上，由合适组件组成的电池组和这3个功能将提高系统性能、提供更多保护，并且能够实现更长的运行时间。本文第一部分将深入探讨电池保护。连同下面给出的信息，你一定要看一看图1的选型指南，以帮助你根据电池的大小来选择正确的器件，在这里1S表示1 = 1节串联，2S = 2节串联，等等。

保护

电池组器件包含多种特性；然而，保护是它们的主要功能，在选择器件时应该将其作为主要考虑因素。有两种不同的保护类型：

·电压保护由内部比较器组成，它们持续测量单个电池节的电压，将其与过压 (OV) 和欠压 (UV) 阀值相比较。电压保护被认为是第一级保护，并且是任一锂离子电池组所必须具有的保护功能。
·电流保护的工作方式与电压保护相似，不过它有一个计算流经电池组电流的感测电阻器，并且将这个电流值与电流阀值相比较，根据极性，检测过流或短路情况。如果电池的电流超过了阀值，那么一个充电 (CHG) 场效应晶体管 (FET) 或放电 (DSG) FET打开，以断开电池，并防止进一步损坏。

保护功能并不总是限于电压和电流方面；例如，某些高电池节数量应用需要开路检测 (OCD)。这个类型的保护确认监视器始终与每节电池相连。诸如bq76925的电池监视器器件，配备有OCD，是非常常见的电动工具应用。

在为你的电池组选择保护功能时，请考虑：

·一个独立保护器（只提供硬件保护）。
·具有硬件保护功能的监视器。
·具有固件保护功能的电量计。
·上述3者的组合。

为你的电池组选择具有所需保护功能的合适组件将取决于你的应用要求。

为了达到冗余的目的，诸如OV保护器的简单保护器提供最后一道保护功能。具有二级保护的应用包括笔记本电脑、电动自行车、电动滑板车和电工工具。在某些诸如智能手表和手机的单节电池设备中，由于只有一节电池，也就无需监视器了。在这些单节电池应用中，具有内置固件保护功能的电量计是不错的选择。如果你对固件保护情有独钟，那么与单节电池高级保护器配对使用的简单电量计，比如说bq29700，就更合适一些。

在硬件和固件保护二者之间，有几点需要注意。两种保护类型都是有效的，不过在选择其中任一保护类型时，你必须权衡，作出取舍。基于固件的保护常见于电量计或MCU，而硬件保护常用于独立保护器或监视器中，不过有几款电量计也具有硬件保护功能。两者之间的主要差异在于，硬件保护实际上使用的是内部电路（比如说比较器）来比较内部寄存器，或者保存阀值数值的电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)，以查看是否已经出现故障。基于固件的保护使用电量计的内部算法来比较电池节的测量值与代码中写入的阀值。有时也具有这两种保护类型来实现冗余。

一个锂离子电池组需要保护功能，在保持电池安全性的同时，确保应用的运行时间能够更长。通过防止电池性能降低或爆炸等更糟糕情况的发生，一个好的保护解决方案能够有益于你的系统运行。下文将深入地谈一谈监视器和电量计，以及它们在电池组中所发挥的作用。介绍创建安全和健康电池组所需的其它两个元件：采集电池组中每节电池的诊断信息，并提供保护功能的监视器，以及智能计算电池荷电状态和健康水平的电量计。



监视器和电量计

监视器（模拟前端 (AFE)）

由于保护功能是所有电池组电子元件的主要功能，一般的电池组器件都配备有某些级别的保护功能。例如，一个电池监视器（模拟前端 ）被设计为实现以下功能，或混合功能：

·测量单节电池电压、电池组电流和电池组温度（通过一个单独的温度传感器测量）。
·驱动一个为其它组件供电的集成LDO，比如说电量计或微控制器 (MCU)。
·驱动一个电池平衡网络，以确保电池组中的每节电池在充电时保持一致。
·驱动充电 (CHG) 和放电 (DSG) FET来保护电池组。
·提供包括电压和电流保护功能在内的混合硬件保护功能。

如你所见，监视器提供针对电池组的关键功能。这些功能使得监视器对于电池组来说极其重要；然而，需要注意的一点是，并不是所有的应用都需要独立监视器。某些电池节数量较低的应用（少于5节电池）不使用监视器；而使用的是诸如bq40z50-R1等包含监视功能的多合一电量计（保护器、监视器和电量计）。此外，所有监视器需要某些形式的主机、MCU或电量计来对其进行控制，并且接收电池节测量数据等通信信息。

电量计

现在，我们来谈一谈电量计到底是什么器件，以及如何选择一款电量计。一个电量计就意味着要去计量。换句话说，它的工作就是估计或确定某些参数的幅度、数量或大小。在一个电池组中，电量计计算2个东西：荷电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH)。SOC是指电池内支持系统运行的所剩电量，而SOH是电池寿命的测量值，并决定是否需要更换。然后，这个电量计将知道何时提示系统注意这些数值，这样的话，用户就可以采取正确的操作了。在选择电量计时，你可以采取以下3条途径中的任何一个，可以选择：

·一个多合一电量计（配备有监视器 (AFE)，以及某些种类的保护）

·一个不执行任何监视或保护功能的分立式电量计。

·一个MCU。

分立式电量计是具有特殊固件，能够执行电量计量活动的器件。选择MCU，而不选择电量计将取决于你在电量计量算法开发方面的经验，或者说，你是否更喜欢使用准确的、现成可用、易于上手的器件。TI拥有大量的支持不同算法的产品组合，每一种算法都有其自身的复杂度和精确度等级。例如，我们的Impedance Track 算法，能够提供非常精密的准确度，误差率为1%。
需要知道的最后一件事情就是，在电池组内，分立式电量计对监视器所发挥的作用。在这个情况下，电量计是控制监视器的大脑，并且完成设定保护阀值或驱动保护FET等操作。

所有电池组具有3个基本功能：保护、监视和电量计量。电池组可以包含一个单芯片解决方案（例如bq40z50-R1）或一个多芯片解决方案；这二者均有其自身的优缺点。电池组中的保护功能也许是一个独立器件，或者包含在电量计或监视器中。出于冗余的目的，硬件和固件保护能够一起工作。监视器依赖主机实现通信的目的，而一个电池组需要具有某种电量计量算法的电量计或MCU。