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基于PS501的智能電池系統(tǒng)
PS501是美國微芯科技公司推出的智能電池管理芯片，適用于2～4節(jié)鋰離子及鋰聚合物電池組，或6～12節(jié)鎳氫及鎳鎘電池組，能準(zhǔn)確計算出電池組 的剩余容量、滿充容量，以及預(yù)測電池的可運(yùn)行時間和充電完成所需要的時間，提供電池監(jiān)控功能，確保使用安全，先進(jìn)的電池平衡功能可以延長電池壽命及工作時 間。其通信協(xié)議符合SMBus 1.1和SBdata 1.1智能電池指令集。
特點(diǎn)和引腳說明
● 特點(diǎn)
- 支持2～4節(jié)鋰電池和6～12節(jié)鎳電池。
- 基于PIC18F MCU內(nèi)核，現(xiàn)場可編程的鋰離子/鋰聚合物/鎳電池電量計量芯片。
- 遵循SMBus 1.1和SBdata 1.1。
- 精密的16位Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換，電流測量精度為小于1mA。
- 18V最大輸入電壓，電壓測量端可直接與電池芯相連接。
- 可編程I/O用于LED驅(qū)動和充放電保護(hù)和二次安完保護(hù)。
- 對不同的電池芯，用戶可以配置不同的電池模型。
- 電池容量計量誤差小于1%。
- 先進(jìn)的放電完(EOD)判斷方法。
- 16KB閃存和256Byte EEPROM。
- 高精度的內(nèi)部振蕩器。
- 極低的電源消耗，工作時耗電為200μA，采樣模式時為100μA，休眠時僅為0.5μA。
- 增強(qiáng)型ESD保護(hù)能力。
- 12個通用可編程I/O口，其中2個為高電壓(最高18V)開漏輸出。
- 集成和外接溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)兩個位置溫度檢測功能。
- 內(nèi)置最大平衡電流為8.4mA的電池平衡電路和外部電池平衡控制功能。
● 引腳說明
??? PS501采用TSSOP28無鉛封裝，符合歐盟的RoSH以及各國的環(huán)保要求，其引腳排列如圖1所示。超小體積的TSSOP封裝(7.85mm×10.2mm)可節(jié)省PCB的空間，方便地安裝于不同尺寸的電池包中，如圖2所示。
圖1 PS501引腳圖
圖2 基于PS501的智能電池包
PS501引腳功能簡介
PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
● PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)
??? PS501的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
● 處理器內(nèi)核/存儲器
??? PS501采用了PIC18 8位RISC單片機(jī)內(nèi)核，其存儲器資源包括16KB 閃存，以及256Byte EEPROM，分別用于存儲程序/數(shù)據(jù)和參數(shù)。這兩種存儲器均可通過SMBus接口進(jìn)行重新編程，而不需要特別的編程接口。每片PS501在出廠前都已經(jīng) 燒錄好Boot loader程序，針對不同型號用電設(shè)備，不同特性的電池芯，以及不同容量等配置信息用戶可以使用Powertool500軟件設(shè)置生成不同的固件，在電 池包生產(chǎn)現(xiàn)場下載固件，從而電池包的生產(chǎn)廠可以方便快速地對不同特性的電池芯，不同的上位機(jī)設(shè)備更改固件，而不需要改動硬件電路。
● A/D轉(zhuǎn)換器
??? PS501利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行電流、電壓和溫度的精確測量。A/D經(jīng)過校準(zhǔn)后可消除增益誤差和偏移誤差?；?PS501芯片的電池包管理PCBA在生產(chǎn)過程中除了要現(xiàn)場下載固件外，還要對A/D轉(zhuǎn)換電路及硅時鐘振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的內(nèi)容包括：電池組電壓采樣， 每串電池芯電壓采樣，外部和內(nèi)部溫度采樣，電流采樣，以及硅時鐘振蕩器。因此不管是元件精度，PCB設(shè)計等造成的累加誤差都可以通過校準(zhǔn)最大程度地進(jìn)行更 正，從而確保每個PCBA對物理量的采樣都是精確的，而這個過程花費(fèi)的全部時間僅為15s，而且全過程全部自動進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。
● PowerSmart固件/電池模型
??? Flash存儲器中固化有所利用PowerSmart開發(fā)的電池管理固件。該固件采用專有算法以及精密的三維電池模型，模型包 含250多種參數(shù)，并可對自放電、溫度以及其他因素進(jìn)行補(bǔ)償。除此之外，PS501在充/放電周期內(nèi)還執(zhí)行了多項(xiàng)容量校正和減小誤差的操作，以提高精度、 改善電量計和充電控制性能。上述功能可確保實(shí)現(xiàn)精確的電池容量報告以及誤差小于1%的實(shí)時預(yù)測。閃存的可再編程特性使得在無需改變硅片設(shè)計的前提下，可迅 速實(shí)現(xiàn)固件升級并生成用戶版本。PS501可根據(jù)特定應(yīng)用的電池化學(xué)性質(zhì)輕松進(jìn)行用戶定制。
??? PowerSmart提供了各種標(biāo)準(zhǔn)配置文件，可用于配置各種流行的充電電池和電池組應(yīng)用。圖4和表1是不同溫度，不同放電率的放電結(jié)束電壓3D模型和PS501內(nèi)部表格參數(shù)一個例子。
圖4 不同溫度、不同放電率的放電結(jié)束電壓3D模型
表1 鋰電池放電結(jié)束電壓查找表
● SMBus接口/SBdata命令
??? PS501包括一個符合SMBus v1.1協(xié)議的SMBus通信引擎，目前所有的筆記本電腦與筆記本電池的通信都遵循這個通信協(xié)議。SMBUS是I2C通信協(xié)議的一個子集，使用帶有I2C 通信接口的處理器或者用軟件模擬I2C通信接口的方法，都可以很容易地讀取PS501的SBdata數(shù)據(jù)，應(yīng)用到不同的電子產(chǎn)品中。
● 精確的集成時基
??? PS501帶有一個高精度硅振蕩器，無需外接時鐘振蕩器即可進(jìn)行自放電定時和容量計算的精確定時。這個內(nèi)部硅振蕩器在電池組生產(chǎn)時可以由用戶進(jìn)行校準(zhǔn)。
● 溫度檢測
??? 當(dāng)PS501緊靠被監(jiān)控的電池時，可采用片內(nèi)集成的溫度傳感器以減少器件數(shù)目，用戶也可選擇通過器件提供的引腳外接熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)控。同時PS501可以支持內(nèi)外兩個傳感器分別進(jìn)行采樣，監(jiān)測兩個不同地方的溫度，并可以通過GPIO做出不同條件的溫度保護(hù)。
● 通用I/O
??? PS501提供12個可編程數(shù)字輸入/輸出引腳。其中8個引腳可用作LED輸出以顯示充電狀態(tài)(SOC)，或直接控制外部充電 電路，或?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池組提供額外的安全保護(hù)。當(dāng)然，它們也可用作通用輸入/輸出引腳。在這些引腳中，有兩個I/O是開漏輸出引腳，因此可用于直接驅(qū)動 FET或其他高電壓應(yīng)用。
??? 在PS501內(nèi)部提供的最大8.4mA平衡電流不足以滿足大容量電池包的平衡功能需要時，PS501可以通過通用 I/O控制外部的平衡電路，實(shí)現(xiàn)用戶自定義大小的平衡電流控制。此外通用 I/O還可以用作電池低容量工作時驅(qū)動蜂鳴器作低電量聲音提示。
工作模式
??? PS501有4種工作模式：運(yùn)行模式、采樣模式、低電壓休眠模式和閑置休眠模式。每種模式都有特定的進(jìn)入和退出條件，四種模式的功耗各不相同。
● 運(yùn)行模式：PS501在電池組在充電或放電的過程中工作在這種模式。
??? 運(yùn)行模式是功耗最大的工作模式。在運(yùn)行模式中，一個測量周期內(nèi)所有測量和計算進(jìn)行一次。在每個測量周期，依次對電流、電壓和溫度進(jìn)行測量。例如：當(dāng)筆記本電腦在工作或充電時，PS501的工作電流為200μA。
● 采樣模式：PS501在電池組既沒有充電也沒有用電的情況下進(jìn)行采樣模式。
??? 采樣模式中，充電狀態(tài)的計算、SMBus請求等操作仍將按照正常運(yùn)行模式的頻率進(jìn)行，不同的是每隔多個采樣周期才進(jìn)行一次測量。器件總功耗得以顯著降。例如：筆記本電腦在關(guān)機(jī)時, PS501的工作電流為100μA。
● 低電壓休眠模式：電池組電壓測量值低于用戶的預(yù)設(shè)數(shù)值時，器件進(jìn)入休眠模式。
??? 處于休眠模式的PS501不再進(jìn)行測量和計算。電量計顯示器不工作，SMBus上的通信被忽略，只有當(dāng)滿足了喚醒條件時器件才可退出休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式之一，用于電池徹底放電后保存電池能量，此時PS501的工作電流可以低至1μA。
● 閑置休眠模式：對于需要長期儲存的電池組，可采用閑置休眠模式。
??? 該模式下，無論電壓值的大小，PS501都將進(jìn)入低功耗休眠模式。用SMBus命令可使器件進(jìn)入該模式。此時PS501的典型功耗可以低至 1μA。當(dāng)SMBUS總線有上拉電平退出該模式。該模式應(yīng)用于電池包在長期儲存和運(yùn)輸?shù)倪^程節(jié)省電量。如：筆記本電腦電池在生產(chǎn)后到用戶第一次使用 這個過程PS501可以設(shè)置工作在這種模式。
電池平衡
● 電池平衡功能的必要性
??? 當(dāng)一個串聯(lián)電池包中的電池芯中有電池芯的容量與其他串聯(lián)的電池芯片不同時，會體現(xiàn)為在電池組充滿或放完時串聯(lián)電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導(dǎo) 致在電池組充電的過程中，電壓過高的電池芯提早觸發(fā)電池組過充電保護(hù)，而在放電過程中電壓過低的電池芯導(dǎo)致電池組過放電保護(hù)，從而使電池組的整體容量明顯 下降，整個電池組體現(xiàn)出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量。
● PS501的內(nèi)部平衡功能
??? PS501片內(nèi)具備電池平衡負(fù)載，用以從具有較高電壓的電池抽取多余的電流,消耗多余的電量，實(shí)現(xiàn)電池平衡。根據(jù)電池電壓大小的不同，內(nèi)部的多個 500Ω電阻將從每節(jié)電池抽取最多 8.4mA的電流。電池平衡算法將對單個電池的電壓以及它們之間的電壓差進(jìn)行監(jiān)視。對于容量較小，而且電池芯的性能及一致性較好的電池組，可以選擇使用內(nèi) 部平衡功能。
● PS501的外部平衡控制功能
??? 當(dāng)電池組的容量較大，并且電池芯的性能和一致性較差的情況下，PS501片內(nèi)的平衡電路無法有效地起到電池平衡功能。這種情況下，可以使用 PS501的可編程I/O并通過芯片外部的簡單元件實(shí)現(xiàn)大電流的電池平衡功能，參考應(yīng)用電池見圖5。這樣，通過改變分流電阻的阻值，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同平 衡電流，通常在一些應(yīng)用中將其設(shè)為100mA以上。這個功能特別適用于使用國產(chǎn)大容量電池芯的電動車、電動工具、外置電池包等應(yīng)用。
圖5 PS501外置電池平衡電路
PS501的典型應(yīng)用電路
??? PS501的典型應(yīng)用電路見圖6。
圖6 PS501典型應(yīng)用電路
● 電量計量功能：PS501直接對四串鋰電池進(jìn)行電壓采樣，電流的采樣通過串在主回路中的采樣電阻的兩端的電壓降得知。溫度采用片內(nèi)傳感器。
● 一次保護(hù)功能：鋰離子電池在過充電和過放電、過流、過溫等情況下都有可能會損壞電池和用電設(shè)備，并有發(fā)生電池爆炸或著火的危險。本方案使用專用的電池保護(hù) 芯片如SEIKO公司的S-8254或MITSUMI公司的MM1414和PS501共同控制充電和放電保護(hù)MOSFET，實(shí)現(xiàn)雙重一次保護(hù)功能。
● 二次保護(hù)功能：在一次保護(hù)沒有正確保護(hù)，并且電池于危險的前提下，PS501可以控制熱熔保險絲，將其熔斷從而避免發(fā)生電池爆炸或著火的危險。
● 通信：主機(jī)通過SMBUS與PS501通信，讀取電池的各種信息。
● 電池平衡：使用片內(nèi)電池平衡功能。
PS501的實(shí)測數(shù)據(jù)
??? 圖7是基于PS501的智能電池組實(shí)測數(shù)據(jù)。
圖7 PS501的實(shí)測數(shù)據(jù)
??? 電池組形式：3串2并(3S2P)容量4000mAH
??? 充電設(shè)置：恒流為3000mA、恒壓為12600mV，停充條件為電流小于100mA。
??? 放電設(shè)置：恒流為4500mA，停放條件為包電壓低于9000mV。
??? 測試結(jié)果：
- PS501準(zhǔn)確地計算出電池組的容量，保證運(yùn)行時間。
- 在充電過程中可以實(shí)時記錄獲得的容量，并且在電池充滿時計算出的電池容量與實(shí)際的電池容量4000mAH相符。
- 放電過程中，準(zhǔn)確記錄放出的電量，并且在電池放光時，計算出的容量為0保證用電設(shè)備能及時存盤，關(guān)機(jī)。并獲得電池使用的最大容量。
結(jié)語
??? 基于PS501的智能電池系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地計算電池組的剩余容量和報告電池的狀態(tài)，從而確保用電設(shè)備運(yùn)行的可靠性以及最大化電池的使用時間。 PS501的GPIO可以實(shí)現(xiàn)電池靈活的保護(hù)功能，確保電池的使用安全，同時內(nèi)置電池平衡電路以及外部的電池平衡控制功能保證了電池組的電壓平衡，大大延長了電池的使用時間和壽命，這個功能對國產(chǎn)電池芯尤其實(shí)用。
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