為鋰離子電池系列選擇適當電子元件：保護器、監測器或電池電量計

作者:  德州儀器應用工程師 Matt Sunna

鋰離子電池優點包括能量密度高、生命周期長，但不會產生記憶效應，因此格外適合可攜式電子系統，然鋰離子電池在使用時，仍然得注意特定限制，以確保安全；若超過限制時，電子元件必須即時反應或傳送訊號至系統。

電池電子元件監控各種狀態變化，如電壓、電流、溫度等。這些元件必須感測前述狀態的各式組合後，才能決定該如何因應。例如：傳送訊號至系統、啟動開關以避免充電或放電，或是熔斷保險絲。圖一為典型電池組內電子元件的配置範例。 

圖一：電池組內的電子元件

電池電子元件類型取決於電池組類型，簡易型電池組可能只需簡易保護器，包含基本過電壓保護器（overvoltage protector）至進階型保護器，其可因應欠電壓 (under-voltage)、溫度故障或電流故障，亦可搭配監測器或電量計使用。

許多多節電池 (higher-cell-count batteries) 的進階型電池組中，都需要電池監測器，可量測個別電池電壓、電流和溫度，並將數值傳送至電量計或微控制器；系統再依此資訊調整性能，例如在溫度過高時降低運作電流。電池監測器也能提供電池均衡功能，可延長電池運作時間和壽命；監測器亦包括 IC 內的保護功能，但配置彈性更高。

 電量計 IC 整合電池監測器與控制器的功能，以提供進階的電量計演算法，電量計 IC 可回報剩餘電量、運作時間、充電狀態；以軟體為基礎的演算法，可進一步提升保護效果。電量計通常包括其他實用功能，如黑盒子功能可協助診斷現場故障的電池組，亦可記錄電池壽命期間的狀態高低變化、動態管控充電器，或認證安全電池。

圖二列出不同電池電子元件類型的重要功能差異。

圖二：保護器、監測器、電量計功能差異 

當在為系統選擇理想電池電子元件時，何種功能最重要？

衡量各種電池電子元件選項的優缺點時，必須考量以下各項特性：

• 簡易型電池組設計中，保護器的複雜度最低
• 監測器具備最大的彈性，可依據系統需求編寫程式，對獨特需求格外重要
• 電量計 IC 整合程度最高，可提供最準確的充電狀態資訊，由於內含韌體，開發時間也最短，但可能限制彈性

圖三為使用 BQ769x0 電池監測器的解決方案範例，系列產品適用於五顆（BQ76920）、十顆（BQ76930）或十五顆（BQ76940）電池，且可使用相同的控制器軟體，故系列可彈性串聯三至十五顆電池。監測器透過感測電阻器，持續量測電池電壓、溫度和電流，再將資訊回報至微控制器；可提供多種可組成的硬體保護，依據故障情況，亦可視需求開啟充電與放電場效電晶體。微控制器可依據監測器提供的資訊判斷，例如開／關場效電晶體、控制電池均衡功能，甚至依照電壓、電流和溫度資訊，執行基本電量監測。

圖三：使用 BQ769x0 與微控制器的電池監控器解決方案範例

圖四為稍微進階的電池組範例，相同的監測器系列搭配 BQ78350-R1 控制器， BQ78350-R1 內含韌體，可直接搭配 BQ7620 、 BQ76930 或 BQ76940 數位監測器，協助加速產品開發。BQ78350-R1 亦具備電量測量和領先的狀態通報功能，更包括許多 TI 電池電量計的常見功能，如使用期間資料紀錄與黑盒子紀錄。

圖四：進階型電池組，使用 BQ769x0、BQ78350-R1 控制器與電池電量計、BQ76200 高側 FET 驅動器、BQ7718 次級保護器

許多系統需要次級保護器處理過電壓，這項範例使用 BQ7718 可堆疊過電壓保護器，若主要保護器失靈，可直接熔斷保險絲。

有些系列可能需要使用高側 FET，無論啟動與否，高側 FET 均可持續與電池組通訊，故即使發生安全故障，系統仍可讀取電池組重要資訊，並在運作重啟之前掌握電池組狀況。在需要高側 FET 的系統中，BQ76200 高側 N-channel FET 驅動器可搭配 BQ76920、BQ76930、BQ76940 監測器。 

使用鋰離子電池設計系統時，為了安全及電池性能，必須考量諸多因素，可依據系統需求，選擇適當的保護器、電池監測器和電池電量計。

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