使用 BQ769x2 电池监控器实现电池平衡
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1 引言
在电池组制造期间，电池组中的各个电池通常是相配的。随着时间的推移，电池之间的荷电状态可能会出现不平衡，从而降低电池组的整体容量。用于均衡电池的电池平衡功能可以延长电池组的工作时间。
BQ769x2 使用电池之间的集成旁路开关或外部旁路 FET 开关在充电或静置期间旁路所选电池的电流，从而支持被动电池平衡。该器件采用基于电压的平衡算法。该算法可以选择性地自主平衡电池，而无需与主机处理器进行任何交互。或者，如果愿意，可以通过主机处理器完全手动控制平衡。
在平衡处于活动状态时电流流入 BQ769x2 器件上的电池输入引脚，因此该器件对电池电压的测量和对电池电压保护的评估在平衡期间会被修改。在 ADC 测量主动平衡的电池以及测量与活动电池紧邻的电池时，在常规测量循环期间会暂时禁用平衡。类似地，在测量电池组电压时，会禁用顶部电池平衡。这发生在每个测量循环中，因此会导致流过的平均平衡电流显著减小。为了帮助缓解这种情况，提供了额外的配置位，这些位会使该器件在电池平衡处于活动状态时降低测量循环速度。BQ769x2 器件将在每个电压和温度扫描循环后插入仅电流测量，以减慢电压测量速度，从而增大平均平衡电流。
2 电池平衡电路注意事项
特定电池的电池平衡包括启用该电池上的集成式 FET 开关。在启用内部平衡功能时，平衡电流由所选输入滤波电阻器的值决定。在内部平衡电流可能不足的应用中，可以通过使用 FET 或 BJT 来增大平衡电流。随后的几节将讨论内部平衡、使用 N 沟道 FET 的外部平衡、使用 P 沟道 FET 的外部平衡以及使用 BJT 的外部平衡的电路设计注意事项。此外，还将讨论功率耗散和时序注意事项。
2.1 内部电池平衡电路设计
在启用其中一个内部平衡 FET 后，此内部 FET 会同时拉该电池的引脚，从而使电流流经该电池的输入电阻器。在启用内部平衡功能时，输入滤波电阻器的最小建议值为 20Ω。该值可以最大限度地提高平衡电流，同时使其不超出内部 FET RDS(ON) 范围内的绝对最大电池平衡电流。输入滤波电阻器的最大建议值为 100Ω。
内部 FET 的典型内部电池平衡电阻（RDS(ON)）为 25Ω。对于完全充电电压为 4.2V 的典型锂离子电池，这会产生大约 65mA 的平衡电流。如果开关持续接通，那么该电流为直流电流，因此平均平衡电流会更低。占空比由多种因素决定，Topic Link Label5将对这些因素进行更加详细的讨论。
I_Balance = VCell/(2 x Rn + RCB) = 4.2V/(2 x 20 + 25) ~= 65mA
图 2-1 用于内部平衡的应用电路对于许多应用来说，器件的内部平衡电流足以满足要求，不需要额外的外部元件。不过，必须考虑功率耗散及其对器件温度的影响。例如，65mA 的电流流入 25Ω 的电阻器会产生大约 0.1W 的功耗。该器件的结至环境热阻为 66°C/W。如果同时对 5 节电池进行平衡，则会导致结温上升 33°C。
可以通过多种方法来避免过大的功率耗散。可以通过设置 Settings: Cell Balancing Config: Cell Balance Max Cells 来限制允许同时进行平衡的电池的最大数量。还有一些参数用于根据电池温度或器件的内部温度来控制何时允许进行平衡。这些参数可用于在自主模式下控制功率耗散和温度。还可以增大电池输入电阻器值，以减小平衡电流，而这也会降低功率耗散。
2.2 采用 N 沟道 FET 的外部电池平衡电路设计
对于需要更高电池平衡电流的应用，通常使用外部 FET。使用外部 FET 时，可以将电池输入电阻器增大至最大建议值 100Ω。增加电阻器大小将有助于在 FET 的栅极上提供足够的电压。在图 2-2 中，当内部 FET 在器件内部导通时，流经 Rn-1 的电流为外部 FET 提供 VGS 的电压。
图 2-2 采用外部 N 沟道 FET 的平衡电路必须小心选择具有在低 VGS 下定义的低 RDSON 的外部 FET。例如，由参数 Cell Balance Min Cell V（电池平衡最低电池电压） 定义的默认平衡最低电压为 3900mV。外部 FET 应具有在 3.9V x 100/(100 + 100 + 25) = 1.73V 或更低的电压下定义的 RDSON。
需要使用一个齐纳二极管来保护外部 FET 栅极免受电池组瞬态的影响。例如，如果一个 10 节电池组发生短路，则在发生短路期间，电池 10 的 Rn 两端将具有大约 40V 的电压，而在短路解除时会发生相反的瞬态。应通过一个电阻器来连接栅极电压，以限制二极管导通时的电流。（在正常操作期间，齐纳二极管将不会导通）。
对于下面捕获的波形，电路设计采用了 100Ω 的 Rn 和 1kΩ 的 Rgn。Rbal 电阻器设置为 50Ω，从而在 4V 电压下使流经外部 FET 的平衡电流为 80mA。在该电池电压下，约 16mA 的额外电流流经器件的内部 FET，从而使总平衡电流接近 96mA。选择了一个具有为低 VGS（低至 1.4V）定义的 RDSON 的 N 沟道 MOSFET。
图 2-3 采用 N 沟道 FET、电池 4（黄色）= 3.7V、电池 3（蓝色）= 3.5V 时的 BQ76942 电池平衡2.3 采用 P 沟道 FET 的外部电池平衡电路设计
P 沟道 FET 能够以类似的方式用于外部平衡。在使用 P 沟道 FET 时，在每节电池的顶部输入电阻器上生成 VGS。
图 2-4 采用外部 P 沟道 FET 的平衡电路2.4 采用 BJT 的外部电池平衡电路设计
外部 FET 适用于大多数采用典型 4.2V 锂离子电池的应用，因为在充电期间通常会在较高的电压下进行平衡。对于所需的平衡电流比内部平衡所能提供的平衡电流更高、但还需要在较低的电池电压下进行平衡的应用，可以考虑采用外部 BJT。可以通过选择合适的平衡电阻器 (Rbal) 和基极电阻器 (Rbn) 来控制外部 BJT 的平衡电流。在图 2-5 中，当内部 FET 在器件内部导通时，流经 Rbn 的电流使 NPN 晶体管进入饱和状态。
图 2-5 采用外部 BJT 的平衡电路该电路中还使用了一个齐纳二极管，以防受到与 FET 电路类似的电池组瞬态的影响。使用 BJT 时，也适合使用标准二极管，而不是齐纳二极管，因为保护晶体管的是齐纳二极管的正向电压。基极-发射极二极管（或用于 PNP 的发射极- 基极二极管）将执行反向导通，这将阻止齐纳二极管导通。
对于下面捕获的波形，电路设计采用了 100Ω 的 Rn 和 240Ω 的 Rgn。Rbal 电阻器设置为 50Ω，从而在 4V 电压下使流经 BJT 的平衡电流为 80mA。在该电池电压下，约 22mA 的额外电流流经器件的内部 FET，从而使总平衡电流接近 102mA。选择了一个在 100mA IC 下 hFE 为 30 的 NPN 晶体管。在采用该元件选型的情况下，当电池电压为 4V 时，IB 大约为 4.5mA。
图 2-6 采用 NPN BJT、电池 4（黄色）= 3.8V、电池 3（蓝色）= 3.7V 时的 BQ76942 电池平衡