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

1 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

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/D 10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)

3.1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10Bit ADC 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?/p>

3.2均衡保護(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。

3.3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60 A。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。