淺談智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

現(xiàn)代的移動通信設(shè)備越來越重視移動設(shè)備電源問題。移動電源的核心問題是可充電電池的管理問題，由于電池的管理與電池的化學(xué)特性密切相關(guān)，不同種類的電池具有不同的充電和使用特性，即使相同種類電池，由于采用電池材料特性不同，對充電和使用要求也不相同，因此使電池自己實(shí)現(xiàn)智能管理是電池用戶的迫切要求。為解決電池的使用問題實(shí)現(xiàn)電池的“即插即用”，智能電池開始得到廣泛應(yīng)用，國際上一些著名的電池公司均開發(fā)了針對自己電池特性的智能電池體系。

目前電池實(shí)現(xiàn)智能化的途徑有兩種，一種是采用一些專用的集成電路來實(shí)現(xiàn)，一種是采用集成了模擬模塊的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。專用集成電路的方案存在以下缺點(diǎn)：只針對一種電池和一類電池的特性，電氣接口和制式不統(tǒng)一，有的專用集成電路已跟不上電池技術(shù)的發(fā)展。本文采用的是單片機(jī)方案，實(shí)現(xiàn)對采用鋰鈷材料體系生產(chǎn)的18650電池的智能化管理，同時考慮未來電池技術(shù)的發(fā)展，并借鑒了智能電池技術(shù)成熟應(yīng)用，選用了SMBus1.1做為智能電池數(shù)據(jù)通信接口，該方案具有通用、可擴(kuò)展、易升級等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及其主要功能

系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用Motorola68HC908單片微處理器(簡稱MCU)對4節(jié)串聯(lián)的18650型鋰離子電池進(jìn)行統(tǒng)一管理。該MCU具有12K閃速內(nèi)存貯器，可在線擦寫10萬次。具有14路A/D 10位的信號采集口，兩路增益可編程運(yùn)算放大器，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便實(shí)現(xiàn)多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，另外該系列MCU在設(shè)計(jì)上具有完善的電磁兼容防護(hù)措施，具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用到電力電子、汽車控制、及軍工領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)對鎳氫電池、鎘鎳電池、鋰離子電池的智能控制，滿足智能化電池的設(shè)計(jì)使用需求。在本方案中，通過MCU與電池組互連的方式使智能電池主要具有以下功能：

供電功能

當(dāng)智能電池與用電器對接時，將自動喚醒MCU控制電池給用電器供電。另外也可與智能化充電機(jī)、手搖發(fā)電機(jī)一起為用電器浮充供電。

充電功能

通過智能充電器給智能電池充電，它們通過SMBus總線互連進(jìn)行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個階段，首先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值時改為恒壓充電。因此MCU要不斷的監(jiān)測電池組電壓，實(shí)現(xiàn)對充電電壓的控制。

通信功能

電池與用電器、智能化充電機(jī)能夠相互傳送各自所需的固定信息、動態(tài)信息及告警信息。其中固定信息包括：電池廠商信息(生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批號)、電池的化學(xué)成份、額定電壓、額定容量、規(guī)范信息、名稱等信息。動態(tài)信息包括：剩余容量、滿充容量、電池模式、溫度、溫升、充電電壓、充電電流、循環(huán)次數(shù)、剩余工作時間、電池狀態(tài)(告警)等信息。

另外智能電池還具有剩余容量LED顯示、自動保護(hù)等功能。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1信號的采集

在本系統(tǒng)中，MCU采集的信號有電壓信號、電流信號和溫度信號。采集的方法如下：

電壓測量

電壓的測量采用電阻分壓取樣測量電壓，通過測量分壓電阻的電壓值來測量電池組端電壓，電阻分壓比1：7， 電阻精度：±0.5%。其中分壓電組的電壓值采樣通過MCU內(nèi)部10Bit ADC 完成。

電流測量

電流的測量采用精密電流采樣電阻測量電流。在電池組的負(fù)極串聯(lián)一個20毫歐精密電阻，通過測量這個電阻的電壓降來測量工作電流，電阻精度為0.5%。精密電阻兩端電壓的測量也是通過MCU內(nèi)置的ADC采樣完成。

溫度測量

溫度的測量采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻測量溫度，通過測量熱敏電阻的阻值來測量電池溫度，熱敏電阻阻值精度為1%。熱敏電阻應(yīng)緊貼電池表面，每兩只電池共用一只熱敏電阻。

3.2均衡保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

鋰離子電池充放電過程中需監(jiān)測每節(jié)電池的電壓。因?yàn)樵谕浑娏鞒浞烹娭写?lián)的4節(jié)電池的電壓升降可能不會完全相同，這將會導(dǎo)致某一電池的過沖或過放，因此要增加電池均衡電路，使4節(jié)串聯(lián)的電池電壓大小在一定誤差范圍內(nèi)保持時刻一致。在本方案中，利用MCU的I/O口來控制運(yùn)算放大器，使電壓變化較快的電池通過三極管短暫充放電來完成。

3.3保護(hù)開關(guān)的設(shè)計(jì)

保護(hù)開關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護(hù)開關(guān)，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導(dǎo)通電阻為5毫歐，電流為60 A。通過MCU的I/O口來控制MOS管的導(dǎo)通和截止。由于I/O口的功率有限，因此本系統(tǒng)中在I/O口和MOS管中增加了三極管驅(qū)動電路。[!--empirenews.page--]

3.4系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

對于需要連續(xù)供電的器件應(yīng)選擇較低漏電流的器件。穩(wěn)壓電源選擇TPS71533，運(yùn)算放大器選擇低功耗運(yùn)放。測量電路設(shè)計(jì)了開啟和關(guān)閉的開關(guān)，在不需測量的狀態(tài)下，采樣電路關(guān)閉，以減少電能的損耗。在控制上選用低功耗控制策略。智能電池在充電過程、給用電器供電、顯示按鍵按下時，MCU工作在Run模式和Wait模式下，其余時間工作在STOP模式下，MCU工作在STOP模式時，要關(guān)閉電壓測量、溫度測量電路以降低電池能耗。從Stop模式進(jìn)入Run模式，需外界條件喚醒。喚醒方式采用顯示按鍵喚醒方式、電流喚醒的方式。當(dāng)顯示按鍵按下時，CPU即由Stop模式進(jìn)入Run模式;當(dāng)有電流流過采樣電阻時，CPU由Stop模式進(jìn)入Run模式。Run模式下，10分鐘內(nèi)沒有事件發(fā)生，MCU自動進(jìn)入Stop模式。

4系統(tǒng)功能方案及軟件設(shè)計(jì)

4.1功能方案

4.1.1電池保護(hù)管理

智能電池管理電路在電池的使用過程中，實(shí)時監(jiān)控電池的電流、電壓、溫度、容量。智能電池管理系統(tǒng)通過計(jì)算，對鋰離子電池實(shí)現(xiàn)下列保護(hù)：

(1)充電時，當(dāng)總?cè)萘砍^電池規(guī)定的最大容量，充電過程中溫升大于3℃/2min，充電溫度≤ -20℃、≥+55℃，向智能化充電機(jī)提供告警信息，并自動切斷充電輸入。另外當(dāng)有一個單體電池電壓超過4.25V，向智能化充電機(jī)發(fā)出告警信息，并能自動切斷充電輸入。

(2)放電時，智能管理電路通過對電壓、電流測量及上次充電過程數(shù)據(jù)記錄，防止電池過放電損壞。當(dāng)智能管理電路發(fā)現(xiàn)電池繼續(xù)放電會造成過度放電時(單體電池電壓≤2.5V)，智能電池發(fā)出告警信息并關(guān)閉放電輸出。

4.1.2溫度管理

溫度、溫升對電池的影響是不能忽視的。在使用過程中異常的溫升需特別對待，特別是充電過程中大于3℃/2min的異常溫升需要采取保護(hù)措施。另外溫度對電池的剩余容量有顯著的影響，溫度是剩余容量計(jì)算、供電時間預(yù)測的重要的修正參數(shù)。

智能電池采用多點(diǎn)測溫對電池進(jìn)行溫度管理，識別電池組溫度，單體電池的異常溫升，環(huán)境溫度巨變。智能電池按以下規(guī)則識別：

(1)充電過程中2個測溫點(diǎn)溫度值相差不到2℃，連續(xù)的溫度變化率相差不超過2℃，判別為電池組溫度。其它智能設(shè)備讀取的電池溫度為所有測溫點(diǎn)的平均值。

(2)充電過程中在電池充電容量加上起始剩余容量之和大于70%額定容量時有一個測溫點(diǎn)的溫度變化率超過3℃/2min，判別為充電異常溫升。

(3)智能電池被充電喚醒后電池組溫度(平均溫度)變化率超過3℃/2min需試驗(yàn)確定，判別為環(huán)境溫度巨變。

智能電池在充電的過程中，環(huán)境溫度在低于電池溫度-20℃情況下電池組不允許充電，-20℃~+10℃ 不允許大電流充電，+10℃~+55℃允許大電流充電，在+75℃以上不允許充電。

4.1.3容量的計(jì)算的方法

容量計(jì)算的基礎(chǔ)是測量的電流對時間的積分，計(jì)算公式為：

Q=∫i dt

由于68HC908單片機(jī)內(nèi)部的ADC采用了∑—⊿方式，轉(zhuǎn)換速度很快，以累加的方式可以實(shí)現(xiàn)精度較高容量計(jì)算。

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能電池管理系統(tǒng)軟件是被寫入到68HC908的FLASH 中，經(jīng)過電路處理電池的電流、電壓、溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合電池的特性，完成系統(tǒng)功能方案指定的功能并且可以向與智能電池和電臺提供相關(guān)電池的信息。軟件的硬件平臺是68HC908單片機(jī)，軟件的開發(fā)平臺為68HC908集成開發(fā)環(huán)境。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

另外，智能電池提供統(tǒng)一的智能接口，這些智能的接口可以通過SMBus1.1協(xié)議進(jìn)行訪問。智能充電機(jī)、用電器可以采用相同的總線技術(shù)按照SMBus1.1規(guī)范的協(xié)議簡單、方便地訪問這些接口。智能電池提供的這些接口能滿足用電器及充電機(jī)向系統(tǒng)化、統(tǒng)一化、智能化方向發(fā)展要求。用電器、充電機(jī)通過讀取這些信息可以知道智能電池制造、使用的全過程信息及電池當(dāng)前使用的狀況。

5結(jié)束語

本文給出了一套智能電池管理系統(tǒng)開發(fā)方案，闡明了管理系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方法。采用低功耗的設(shè)計(jì)思想，確保電路的自耗電滿足電池存儲的需求。充分利用68HC908系列單片機(jī)豐富的對外接口控制功能，利用SMBus總線為用電器和智能化充電機(jī)隨時提供所需的各種信息。本系統(tǒng)方便了用戶，減少了操作，實(shí)現(xiàn)了智能化、一體化設(shè)計(jì)。