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

智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：采用國(guó)際先進(jìn)的電源管理技術(shù)、單片微處理器監(jiān)控技術(shù)、綜合檢測(cè)保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行充電、放電、管理、維護(hù)、保養(yǎng)的總體設(shè)計(jì)要求，滿足用戶操作簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠的實(shí)際使用需求。本文給出了智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖，并闡明了系統(tǒng)的功能方案和程序設(shè)計(jì)思想。關(guān)鍵詞：智能電池；單片機(jī)；管理系統(tǒng)；SMBus1引言現(xiàn)代的移動(dòng)通信設(shè)備越來(lái)越重視移動(dòng)設(shè)備電源問(wèn)題。移動(dòng)電源的核心問(wèn)題是可充電電池的管理問(wèn)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(duì)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(wèn)題實(shí)現(xiàn)電池的“即插即用”，智能電池開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，國(guó)際上一些著名的電池公司均開(kāi)發(fā)了針對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，一種是采用集成了模擬模塊的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。專用集成電路的方案存在以下缺點(diǎn)：只針對(duì)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(duì)采用鋰鈷材料體系生產(chǎn)的18650電池的智能化管理，同時(shí)考慮未來(lái)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?cái)?shù)據(jù)通信接口，該方案具有通用、可擴(kuò)展、易升級(jí)等特點(diǎn)。2系統(tǒng)構(gòu)成及其主要功能歡迎訪問(wèn)ht切://www.Slkaifa.com保護(hù)開(kāi)關(guān)-開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路電池正極￡開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路電池正極￡"T溫度采樣電壓采樣通信接口SNIBusl.l$DA^CL"T溫度采樣電壓采樣通信接口SNIBusl.l$DA^CL電流采樣電池信息電流采樣i-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(jiǎn)稱MCU）對(duì)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(xiě)10萬(wàn)次。具有14路A/D10位的信號(hào)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(hào)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(chē)控制、及軍工領(lǐng)域,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(duì)接時(shí)，將自動(dòng)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(guò)智能充電器給智能電池充電，它們通過(guò)SMBus總線互連進(jìn)行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個(gè)階段，首先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值時(shí)改為恒壓充電。因此MCU要不斷的監(jiān)測(cè)電池組電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(hào)）、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(dòng)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(shí)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(dòng)保護(hù)等功能。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)信號(hào)的采集在本系統(tǒng)中，MCU采集的信號(hào)有電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)。采集的方法如下：電壓測(cè)量電壓的測(cè)量采用電阻分壓取樣測(cè)量電壓，通過(guò)測(cè)量分壓電阻的電壓值來(lái)測(cè)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(guò)MCU內(nèi)部10BitADC完成。電流測(cè)量電流的測(cè)量采用精密電流采樣電阻測(cè)量電流。在電池組的負(fù)極串聯(lián)一個(gè)20毫歐精密電阻，通過(guò)測(cè)量這個(gè)電阻的電壓降來(lái)測(cè)量工作電流，電阻精度為0.5%。精密電阻兩端電壓的測(cè)量也是通過(guò)MCU內(nèi)置的ADC采樣完成。溫度測(cè)量溫度的測(cè)量采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻測(cè)量溫度，通過(guò)測(cè)量熱敏電阻的阻值來(lái)測(cè)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?jī)芍浑姵毓灿靡恢粺崦綦娮琛＞獗Ｗo(hù)電路的設(shè)計(jì)鋰離子電池充放電過(guò)程中需監(jiān)測(cè)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(huì)完全相同，這將會(huì)導(dǎo)致某一電池的過(guò)沖或過(guò)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(shí)刻一致。在本方案中，利用MCU的I/O口來(lái)控制運(yùn)算放大器，使電壓變化較快的電池通過(guò)三極管短暫充放電來(lái)完成。保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)保護(hù)開(kāi)關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護(hù)開(kāi)關(guān)，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導(dǎo)通電阻為5毫歐，電流為60A。通過(guò)MCU的I/O口來(lái)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(dòng)電路。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)對(duì)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(cè)量電路設(shè)計(jì)了開(kāi)啟和關(guān)閉的開(kāi)關(guān)，在不需測(cè)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(guò)程、給用電器供電、顯示按鍵按下時(shí)，MCU工作在Run模式和Wait模式下，其余時(shí)間工作在STOP模式下，MCU工作在STOP模式時(shí)，要關(guān)閉電壓測(cè)量、溫度測(cè)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(shí)，CPU即由Stop模式進(jìn)入Run模式；當(dāng)有電流流過(guò)采樣電阻時(shí)，CPU由Stop模式進(jìn)入Run模式。Run模式下，10分鐘內(nèi)沒(méi)有事件發(fā)生，MCU自動(dòng)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(guò)程中，實(shí)時(shí)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(guò)計(jì)算，對(duì)鋰離子電池實(shí)現(xiàn)下列保護(hù)：（1）充電時(shí)，當(dāng)總?cè)萘砍^(guò)電池規(guī)定的最大容量，充電過(guò)程中溫升大于3°C/2min,充電溫度W-20°C、$+55°C，向智能化充電機(jī)提供告警信息，并自動(dòng)切斷充電輸入。另外當(dāng)有一個(gè)單體電池電壓超過(guò)4.25V,向智能化充電機(jī)發(fā)出告警信息，并能自動(dòng)切斷充電輸入。（2）放電時(shí)，智能管理電路通過(guò)對(duì)電壓、電流測(cè)量及上次充電過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，防止電池過(guò)放電損壞。當(dāng)智能管理電路發(fā)現(xiàn)電池繼續(xù)放電會(huì)造成過(guò)度放電時(shí)（單體電池電壓W2.5V）,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(duì)電池的影響是不能忽視的。在使用過(guò)程中異常的溫升需特別對(duì)待，特別是充電過(guò)程中大于3C/2min的異常溫升需要采取保護(hù)措施。另外溫度對(duì)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(shí)間預(yù)測(cè)的重要的修正參數(shù)。智能電池采用多點(diǎn)測(cè)溫對(duì)電池進(jìn)行溫度管理，識(shí)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(shí)別：充電過(guò)程中2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度值相差不到2°C,連續(xù)的溫度變化率相差不超過(guò)2°C,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(cè)溫點(diǎn)的平均值。充電過(guò)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(shí)有一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化率超過(guò)3°C/2min,判別為充電異常溫升。智能電池被充電喚醒后電池組溫度(平均溫度)變化率超過(guò)3C/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(guò)程中，環(huán)境溫度在低于電池溫度-20C情況下電池組不允許充電,-20C~+10C不允許大電流充電,+10C~+55C允許大電流充電，在+75°C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(cè)量的電流對(duì)時(shí)間的積分,計(jì)算公式為：Q=Jidt由于68HC908單片機(jī)內(nèi)部的ADC采用了工一/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(xiě)入到68HC908的FLASH中，經(jīng)過(guò)電路處理電池的電流、電壓、溫度模擬信號(hào)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(tái)提供相關(guān)電池的信息。軟件的硬件平臺(tái)是68HC908單片

機(jī)，軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為68HC908集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：放電記錄倍息［循霹確命.撤余容呈零）甲新電躋僅滬開(kāi)關(guān)電腔 釆樣電時(shí)放電記錄倍息［循霹確命.撤余容呈零）甲新電躋僅滬開(kāi)關(guān)電腔 釆樣電時(shí)圈：苦能電葩智理蜒件1圈另外，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(guò)SMBus1.1協(xié)議進(jìn)行訪問(wèn)。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(jiǎn)單、方便地訪問(wèn)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(guò)