淺談智能化鋰電池管理系統的設計與實現

1 引言

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迫切要求。為解決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應用，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。專用集成電路的方案存在以下缺點：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方案，實現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做為智能電池數據通信接口，該方案具有通用、可擴展、易升級等特點。

2 系統構成及其主要功能

系統構成原理框圖如圖1所示。

本系統采用Motorola68HC908單片微處理器(簡稱MCU)對4節串聯的18650型鋰離子電池進行統一管理。該MCU具有12K閃速內存貯器，可在線擦寫10萬次。具有14路A/D 10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，可廣泛應用到電力電子、汽車控制、及軍工領域，可以實現對鎳氫電池、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要不斷的監測電池組電壓，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(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

鋰離子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，因此要增加電池均衡電路，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。在本方案中，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60 A。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管中增加了三極管驅動電路。

3.4系統低功耗設計

對于需要連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關閉的開關，在不需測量的狀態下，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分鐘內沒有事件發生，MCU自動進入Stop模式。

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要不斷的監測電池組電壓，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(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

鋰離子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，因此要增加電池均衡電路，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。在本方案中，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60 A。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管中增加了三極管驅動電路。

3.4系統低功耗設計

對于需要連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關閉的開關，在不需測量的狀態下，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分鐘內沒有事件發生，MCU自動進入Stop模式。