智能化鋰電池管理系統的設計與實現技術

現代的移動通信設備越來越重視移動設備電源問題。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特性密切相關，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，因此使電池自己實現智能管理是電池用戶的急切要求。為處理電池的使用問題實現電池的即插即用，智能電池開始得到廣泛使用，國際上一些著名的電池公司均開發了針對自己電池特性的智能電池體系。

目前電池實現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現，一種是采用集成了模擬模塊的單片機來實現。專用集成電路的辦法存在以下缺點：只針對一種電池和一類電池的特性，電氣接口和制式不統一，有的專用集成電路已跟不上電池技術的發展。本文采用的是單片機辦法，實現對采用鋰鈷材料體系加工的18650電池的智能化管理，同時考慮將來電池技術的發展，并借鑒了智能電池技術成熟使用，選用了SMBus1.1做為智能電池數據通信接口，該辦法具有通用、可擴展、易升級等特點。

2系統構成及其緊要功能

系統構成原理框圖如圖1所示。

本系統采用Motorola68HC908單片微解決器(簡稱MCU)對4節串聯的18650型鋰電池進行統一管理。該MCU具有12K閃速內存貯器，可在線擦寫10萬次。具有14路A/D10位的信號采集口，兩路增益可編程運算放大器，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便實現多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協議實現數據通信功能，另外該系列MCU在設計上具有完善的電磁兼容防護措施，具有抗干擾能力強，可靠性高的特點，可廣泛使用到電力電子、汽車控制、及軍工范疇，可以實現對鎳氫電池、鎘鎳電池、鋰電池的智能控制，滿足智能化電池的設計使用需求。在本辦法中，通過MCU與電池包互連的方式使智能電池緊要具有以下功能：

供電功能

當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、手搖發電機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總線互連進行信息交換。鋰電池充電一般分兩個階段，首先進行恒流充電，當電池電壓達到一定值時改為恒壓充電。因此MCU要不斷的監測電池包電壓，實現對充電電壓的控制。

通信功能

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

另外智能電池還具有剩余容量LED顯示、自動保護等功能。

3系統硬件電路設計

3.1信號的采集

在本系統中，MCU采集的信號有電壓信號、電流信號和溫度信號。采集的辦法如下：

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包端電壓，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內部10BitADC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。在電池包的負極串聯一個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內置的ADC采樣完成。

溫度測量

溫度的測量采用負溫度系數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均衡保護電路的設計

鋰電池充放電過程中需監測每節電池的電壓。因為在同一電流充放電中串聯的4節電池的電壓升降可能不會完全相同，這將會導致某一電池的過沖或過放，因此要新增電池均衡電路，使4節串聯的電池電壓大小在一定誤差范圍內保持時刻一致。在本辦法中，利用MCU的I/O口來控制運算放大器，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保護開關的設計

保護開關選擇功率MOS管作為充電和放電保護開關，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導通電阻為5毫歐，電流為60A。通過MCU的I/O口來控制MOS管的導通和截止。由于I/O口的功率有限，因此本系統中在I/O口和MOS管中新增了三極管驅動電路。

3.4系統低功耗設計

關于要繼續供電的器件應選擇較低漏電流的器件。穩壓電源選擇TpS71533，運算放大器選擇低功耗運放。測量電路設計了開啟和封閉的開關，在不需測量的狀態下，采樣電路封閉，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，要封閉電壓測量、溫度測量電路以降低電池能耗。從Stop模式進入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。當顯示按鍵按下時，CpU即由Stop模式進入Run模式;當有電流流過采樣電阻時，CpU由Stop模式進入Run模式。Run模式下，10分鐘內沒有事件發生，MCU自動進入Stop模式。

4系統功能辦法及軟件設計

4.1功能辦法

4.1.1電池保護管理

智能電池管理電路在電池的使用過程中，實時監控電池的電流、電壓、溫度、容量。智能電池管理系統通過計算，對鋰電池實現下列保護：

(1)充電時，當總容量超過電池規定的最大容量，充電過程中溫升大于3℃/2min，充電溫度≤-20℃、≥+55℃，向智能化充電機供應告警信息，并自動切斷充電輸入。另外當有一個單體電池電壓超過4.25V，向智能化充電機發出告警信息，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據記錄，戒備電池過放電損壞。當智能管理電路發現電池持續放電會造成過度放電時(單體電池電壓≤2.5V)，智能電池發出告警信息并封閉放電輸出。

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的異常溫升要采取保護措施。另外溫度對電池的剩余容量有顯著的影響，溫度是剩余容量計算、供電時間預測的緊要的修正參數。

智能電池采用多點測溫對電池進行溫度管理，識別電池包溫度，單體電池的異常溫升，環境溫度巨變。智能電池按以下規矩識別：

(1)充電過程中2個測溫點溫度值相差不到2℃，繼續的溫度變化率相差不超過2℃，判別為電池包溫度。其它智能設備讀取的電池溫度為所有測溫點的均勻值。

(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包溫度(均勻溫度)變化率超過3℃/2min需實驗確定，判別為環境溫度巨變。

智能電池在充電的過程中，環境溫度在低于電池溫度-20℃情況下電池包不準許充電，-20℃~+10℃不準許大電流充電，+10℃~+55℃準許大電流充電，在+75℃以上不準許充電。

4.1.3容量的計算的辦法

容量計算的基礎是測量的電流對時間的積分，計算公式為：

Q=∫idt

由于68HC908單片機內部的ADC采用了∑⊿方式，轉換速度很快，以累加的方式可以實現精度較高容量計算。

4.2系統軟件設計

智能電池管理系統軟件是被寫入到68HC908的FLASH中，經過電路解決電池的電流、電壓、溫度模擬信號轉換成數據，依據這些數據結合電池的特性，完成系統功能辦法指定的功能并且可以向與智能電池和電臺供應相關電池的信息。軟件的硬件平臺是68HC908單片機，軟件的開發平臺為68HC908集成開發環境。程序結構框圖如圖2所示：

另外，智能電池供應統一的智能接口，這些智能的接口可以通過SMBus1.1協議進行訪問。智能充電機、用電器可以采用相同的總線技術按照SMBus1.1規范的協議簡單、方便地訪問這些接口。智能電池供應的這些接口能滿足用電器及充電機向系統化、統一化、智能化方向發展要求。用電器、充電機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前使用的狀況。

5結束語

本文給出了一套智能電池管理系統開發辦法，闡明了管理系統的功能和實現辦法。采用低功耗的設計思想，確保電路的自耗電滿足電池存儲的需求。充足利用68HC908系列單片機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隨時供應所需的各種信息。本系統方便了用戶，減少了操作，實現了智能化、一體化設計。

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