超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計

　　為了滿足某微功耗儀表的應(yīng)用，提高安全性能，提出了一種超低功耗鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用雙向高端微電流檢測電路，結(jié)合開路電壓和電荷積分算法實現(xiàn)電量檢測。采用紐扣電池代替DC/DC降壓電路最大程度降低功耗。系統(tǒng)實現(xiàn)了基本保護(hù)、剩余電量檢測、故障記錄等功能。該鋰電池管理系統(tǒng)在儀表上進(jìn)行驗證，結(jié)果表明具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，平均工作電流僅145μA。

　　隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，電池供電成為了重要的選擇。電池管理系統(tǒng)是電池使用安全性的有效保障。目前的電池管理系統(tǒng)大多為大容量電池組、短續(xù)航時間的應(yīng)用而設(shè)計，這種管理系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備功耗大，電池的循環(huán)時間短，管理系統(tǒng)自身的功耗也不低，不適合在低功耗儀表場上使用。某燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)控儀表，平均系統(tǒng)電流僅為幾毫安，要求在低溫下連續(xù)運行6個月以上，為了滿足該工程的應(yīng)用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，對20Ah 4串8并的32節(jié)單體電芯進(jìn)行管理。具有基本保護(hù)、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該系統(tǒng)各項功能性能良好，達(dá)到了設(shè)計要求。

　　1. 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　低溫鋰電池管理系統(tǒng)主要由基本保護(hù)電路、電量計、均衡電路、二級保護(hù)等幾個部分組成，如圖1所示。

　　圖1 低溫鋰電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于低功耗的考慮，設(shè)計中采用了許多低功耗器件，如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機;電壓基準(zhǔn)采用REF3325,該基準(zhǔn)電源的功耗極低僅3.9μA;運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數(shù)字電位器采用了靜態(tài)電流低至50nA的AD5165等。對工作電流較大的間歇性工作電路增加了電源管理電路，以降低能耗。

　　低溫電池組的額定電壓為14.8V,由4組電芯串聯(lián)而成，每組電芯包含8節(jié)單體電 芯，正常的工作電壓為2.5~4.2V。每個采集周期采集各組電芯的電壓，處理器根據(jù)電壓大小給保護(hù)執(zhí)行電路發(fā)出指令，執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作。均衡電路用單片機和三極管實現(xiàn)，代替了均衡專用芯片。系統(tǒng)會把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲設(shè)備內(nèi)。處理器提供了TTL通信接口，現(xiàn)場的計算機可以通過一個TTLRS232轉(zhuǎn)換模塊讀取存儲設(shè)備中的日志。充電過程中為了防止MCU死機等異常而出現(xiàn)保護(hù)失效。增加了二級保護(hù)電路，若電壓超出預(yù)設(shè)值，將會啟動二級保護(hù)電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發(fā)生。

　　2. 硬件設(shè)計

　　2.1 保護(hù)執(zhí)行電路

　　保護(hù)執(zhí)行電路是保護(hù)動作的執(zhí)行機構(gòu)，CH 是充電控制開關(guān)，DISCH是放電控制開關(guān)，通過控制CH和DISCH做出相應(yīng)的保護(hù)動作，電路圖如圖2所示。

　　圖2 保護(hù)執(zhí)行電路

　　CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時M1和M2均導(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)放電過流或者過放電狀態(tài)，DISCH 置為高電平，此時Q2斷開，Q3導(dǎo)通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關(guān)閉，完成保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)充電過流或者過充電狀態(tài)，將CH置為高電平，關(guān)閉M1.電路中MOSFET選用了IRF4310,該MOSFET導(dǎo)通電阻僅為7kΩ，通流能力可達(dá)140A。

　　2.2 均衡電路和二級保護(hù)

　　圖3(a)給出了某組電芯充電均衡電路的示意圖，充電均衡電路由4個該種單元串聯(lián)而成。由單片機采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2V,單片機控制腳BLA置為高電平，此時該組電芯被短路，充電電流流經(jīng)R4給其他組電芯充電，由此保證各組電芯電量在充電完成后具有較好的一致性。

　　二級保護(hù)是不可逆的，只有在非常危急的情況下才會啟動，電路如圖3(b)所示。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級保護(hù)芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V,OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱，當(dāng)溫度超過139℃時保險絲就會熔 斷。

　　圖3 充電均衡和二級保護(hù)電路

　　3. 雙向高端微電流檢測電路

　　在單電源供電的微小信號檢測應(yīng)用中，由于采樣電壓很小，常受制于運放的供電軌而難以完成對小信號的檢測。本設(shè)計中采用了電流高端檢測電路，可以擺脫單電源供電對小信號檢測的限制。高端檢測電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運放，電路示意圖見圖4。

　　圖4 電流檢測電路[!--empirenews.page--]

　　此電路可以實現(xiàn)對雙向小電流的采樣放大及判定電流的方向。R9為采樣電阻，考慮到短路時電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設(shè)為25mΩ。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)，假定電流源、R9和LOAD組成的環(huán)路電流方向為順時針，此時DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導(dǎo)通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4,R5輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，回路電流為逆時針方向，此時由運放U1完成對電流信號的放大，DIR1 為高電平，DIR2為低電平。當(dāng)電池處于閑置狀態(tài)回路無電流時，DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態(tài)可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態(tài)。

　　4. 電源設(shè)計

　　電源設(shè)計采用了紐扣電池給系統(tǒng)供電的設(shè)計方案，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降壓芯片的損耗功耗，電路示意圖如圖5所示。

　　圖5 數(shù)字電源示意圖

　　圖中R為數(shù)字電位器，選用ADI公司的AD5165,它的調(diào)節(jié)范圍從0~100kΩ，靜態(tài)電流僅50nA.V1和V2為紐扣電池，選用日本精工的MS920SE,該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時間到來根據(jù)電池組電壓值CELL4+ 調(diào)整電位器的阻值，R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],閉合開關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓，說明紐扣電池電壓過低，則斷開W2并調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用適當(dāng)?shù)碾娏鲗~扣電池進(jìn)行充電。下一個采集周期到來重新調(diào)整數(shù)字電位器R,閉合W1和W2并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量是否充滿，若D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓，說明紐扣電池充滿，則斷開W1和W2。由此完成對紐扣電池的充電調(diào)節(jié)控制。3.3V數(shù)字電源經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成模擬電源。

　　5. 軟件設(shè)計

　　軟件采用模塊化設(shè)計，主要包含了初始化模塊、紐扣電池電量檢測和控制模塊、電池組狀態(tài)檢測和異常處理模塊、電量估算模塊4部分。文中給出了電池組狀態(tài)檢測和異常處理模塊的軟件流程圖，如圖6所示。

　　系統(tǒng)每次采集完電池組的各項信息后會將本次的測量值和歷史記錄值比較，若判定本次測量值為最大或者最小值，則將該值覆蓋歷史值，并保存在存儲設(shè)備中。每次的異常狀況也都會記錄保存，現(xiàn)場的PC可以通過串口讀取存儲設(shè)備中的日志，查看異 常信息。

　　圖6 電池組狀態(tài)檢測和控制軟件流程圖

　　SOC估算采用了開路電壓和安時 積分相結(jié)合的估算方法，對SOC估算精度的影響因素眾多，溫度、放電電流、循環(huán)次數(shù)等都會帶來誤差，有一種SOC估算公式：

　　其中：SOC為當(dāng)前的電量，SOC0為初始狀態(tài)的電荷量，C為電池的容量，K為修正系數(shù)，為經(jīng)驗值。I為測得的瞬時電流，充電為負(fù)值，放電為正值。為了得到精確的SOC估算值，需要在運用安時積分法時定期或不定期地對于SOC0進(jìn)行修正。

　　某燃?xì)鈨x表的工作電流較為平穩(wěn)，功率P=U×I為一固定值，由公式可知隨著電池電壓的降低，儀表的工作電流增大。鑒于電池電壓變化緩慢，本方案中電流采樣電路設(shè)置為每隔5min采樣一次，以達(dá)到降低功耗的目的。將第n次采樣電流in視為該次采樣周期內(nèi)的平均電流，由此可得

　　鋰電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)目前的工作電流與SOC情況估算出剩余的續(xù)航時間。

　　結(jié)語

　　有些低功耗的儀表對電池的續(xù)航時間有特殊的要求，本設(shè)計針對續(xù)航時間較長的應(yīng)用需求，通過硬件和軟件低功耗技術(shù)設(shè)計了一種應(yīng)用于低功耗儀表的鋰電池管理系統(tǒng)，可以完成對4串8并32節(jié)低溫鋰電池組的管理功能。經(jīng)某燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)控儀表運行試驗，鋰電池管理系統(tǒng)各項功能性能良好，工作電流僅為145μA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的鋰電池智能管理系統(tǒng)。