鉅大LARGE | 點擊量：1110次 | 2021年12月08日
智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
1引言
現(xiàn)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(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現(xiàn)電池的“即插即用”，智能電池開始得到廣泛應用，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現(xiàn)，一種是采用集成了模擬模塊的單片機來實現(xiàn)。專用集成電路的方法存在以下缺點：只針對一種電池和一類電池的特性，電氣接口和制式不統(tǒng)一，有的專用集成電路已跟不上電池技術的發(fā)展。本文采用的是單片機方法，實現(xiàn)對采用鋰鈷材料體系生產的18650電池的智能化管理，同時考慮未來電池技術的發(fā)展，并借鑒了智能電池技術成熟應用，選用了SMBus1.1做為智能電池數(shù)據(jù)通信接口，該方法具有通用、可擴展、易升級等特點。
2系統(tǒng)構成及其重要功能
系統(tǒng)構成原理框圖如圖1所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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型鋰離子電池進行統(tǒng)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(xiàn)多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)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，可廣泛應用到電力電子、汽車控制、及領域,可以實現(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計使用需求。在本方法中，通過MCU與電池組互連的方式使智能電池重要具有以下功能：
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(fā)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。鋰離子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(jiān)測電池組電壓，實現(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（生產廠家、生產日期、生產批號）、電池的化學成份、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、自動保護等功能。
3系統(tǒng)硬件電路設計
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內部10BitADC完成。
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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內置的ADC采樣完成。
溫度測量
溫度的測量采用負溫度系數(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
鋰離子電池充放電過程中需監(jiān)測每節(jié)電池的電壓。因為在同一電流充放電中串聯(lián)的4節(jié)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(jié)串聯(lián)的電池電壓大小在一定誤差范圍內保持時刻一致。在本方法中，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(tǒng)中在I/O口和MOS管中新增了三極管驅動電路。
3.4系統(tǒng)低功耗設計
關于要持續(xù)供電的器件應選擇較低漏電流的器件。穩(wěn)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關閉的開關，在不需測量的狀態(tài)下，采樣電路關閉，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(fā)生，MCU自動進入Stop模式。
4系統(tǒng)功能方法及軟件設計
4.1功能方法
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(jiān)控電池的電流、電壓、溫度、容量。智能電池管理系統(tǒng)通過計算，對鋰離子電池實現(xiàn)下列保護：
(1)充電時，當總容量超過電池規(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(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、供電時間預測的重要的修正參數(shù)。
智能電池采用多點測溫對電池進行溫度管理，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個測溫點溫度值相差不到2℃，持續(xù)的溫度變化率相差不超過2℃，判別為電池組溫度。其它智能設備讀取的電池溫度為所有測溫點的平均值。
（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。
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4.1.3容量的計算的方法
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(xiàn)精度較高容量計算。
4.2系統(tǒng)軟件設計
智能電池管理系統(tǒng)軟件是被寫入到68HC908的FLASH中，經過電路處理電池的電流、電壓、溫度模擬信號轉換成數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)結合電池的特性，完成系統(tǒng)功能方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(fā)平臺為68HC908集成開發(fā)環(huán)境。程序結構框圖如圖2所示：
另外，智能電池供應統(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(guī)范的協(xié)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(tǒng)化、統(tǒng)一化、智能化方向發(fā)展要求。用電器、充電機通過讀取這些信息可以了解智能電池制造、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(tǒng)開發(fā)方法，闡明了管理系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)方法。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。充分利用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(tǒng)方便了用戶，減少了操作，實現(xiàn)了智能化、一體化設計。
