超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(jì)方案。該方案采用雙向高端微電流檢測(cè)電路，結(jié)合開(kāi)路電壓和電荷積分算法實(shí)現(xiàn)電量檢測(cè)。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(shí)現(xiàn)了基本保護(hù)、剩余電量檢測(cè)、故障記錄等功能。該鋰電池管理系統(tǒng)在儀表上進(jìn)行驗(yàn)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(shí)間的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，這種管理系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備功耗大，電池的循環(huán)時(shí)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(chǎng)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(yùn)行6個(gè)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(jì)方案，對(duì)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(jì)量、充電均衡和故障記錄功能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)、均衡電路、二級(jí)保護(hù)等幾個(gè)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(jì)中采用了許多低功耗器件，如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機(jī)；電壓基準(zhǔn)采用REF3325，該基準(zhǔn)電源的功耗極低僅3.9μA;運(yùn)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(duì)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(gè)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(dòng)作。均衡電路用單片機(jī)和三極管實(shí)現(xiàn)，代替了均衡專(zhuān)用芯片。系統(tǒng)會(huì)把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時(shí)間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)。處理器提供了TTL 通信接口，現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)可以通過(guò)一個(gè)TTLRS232轉(zhuǎn)換模塊讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的日志。充電過(guò)程中為了防止MCU死機(jī)等異常而出現(xiàn)保護(hù)失效。增加了二級(jí)保護(hù)電路，若電壓超出預(yù)設(shè)值，將會(huì)啟動(dòng)二級(jí)保護(hù)電路，熔斷三端保險(xiǎn)絲，阻止事故的發(fā)生。

　　2. 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 保護(hù)執(zhí)行電路

　　保護(hù)執(zhí)行電路是保護(hù)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，CH 是充電控制開(kāi)關(guān)，DISCH是放電控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CH和DISCH做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)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(shí)置為低電平，此時(shí)M1和M2均導(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)放電過(guò)流或者過(guò)放電狀態(tài)，DISCH 置為高電平，此時(shí)Q2斷開(kāi)，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(guò)流或者過(guò)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(jí)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(gè)該種單元串聯(lián)而成。由單片機(jī)采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過(guò)程中若電壓超過(guò)4.2V，單片機(jī)控制腳BLA置為高電平，此時(shí)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(jí)保護(hù)是不可逆的，只有在非常危急的情況下才會(huì)啟動(dòng)，電路如圖3（b）所示。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級(jí)保護(hù)芯片。任意一組電芯電壓超過(guò)4.4V，OUT將輸出高電平，三端保險(xiǎn)絲F3開(kāi)始加熱，當(dāng)溫度超過(guò)139℃時(shí)保險(xiǎn)絲就會(huì)熔 斷。

　　圖3 充電均衡和二級(jí)保護(hù)電路

　　3. 雙向高端微電流檢測(cè)電路

　　在單電源供電的微小信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用中，由于采樣電壓很小，常受制于運(yùn)放的供電軌而難以完成對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)中采用了電流高端檢測(cè)電路，可以擺脫單電源供電對(duì)小信號(hào)檢測(cè)的限制。高端檢測(cè)電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運(yùn)放，電路示意圖見(jiàn)圖4。

　　圖4 電流檢測(cè)電路

　　此電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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?yàn)轫槙r(shí)針，此時(shí)DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導(dǎo)通。流過(guò)R4的電流IR4=R9×IR9/R4，R5輸出端的電壓信號(hào)為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，回路電流為逆時(shí)針?lè)较?，此時(shí)由運(yùn)放U1完成對(duì)電流信號(hào)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(wú)電流時(shí)，DIR1和DIR2均為低電平。通過(guò)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(jì)

　　電源設(shè)計(jì)采用了紐扣電池給系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)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(hào)支持最大800μA的最大電流放電。采集時(shí)間到來(lái)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(kāi)關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓，由此來(lái)判定紐扣電池的電量。若D1陽(yáng)極電壓值小于充電閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池電壓過(guò)低，則斷開(kāi)W2并調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用適當(dāng)?shù)碾娏鲗?duì)紐扣電池進(jìn)行充電。下一個(gè)采集周期到來(lái)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(lái)判定紐扣電池的電量是否充滿，若 D1陽(yáng)極電壓大于充電完成閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池充滿，則斷開(kāi)W1和W2。由此完成對(duì)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(jì)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含了初始化模塊、紐扣電池電量檢測(cè)和控制模塊、電池組狀態(tài)檢測(cè)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(cè)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(xiàng)信息后會(huì)將本次的測(cè)量值和歷史記錄值比較，若判定本次測(cè)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(chǔ)設(shè)備中。每次的異常狀況也都會(huì)記錄保存，現(xiàn)場(chǎng)的PC可以通過(guò)串口讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的日志，查看異 常信息。

　　圖6 電池組狀態(tài)檢測(cè)和控制軟件流程圖

　　SOC估算采用了開(kāi)路電壓和安時(shí) 積分相結(jié)合的估算方法，對(duì)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(huì)帶來(lái)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(yàn)值。I為測(cè)得的瞬時(shí)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(yùn)用安時(shí)積分法時(shí)定期或不定期地對(duì)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(shí)間。

　　結(jié)語(yǔ)

　　有些低功耗的儀表對(duì)電池的續(xù)航時(shí)間有特殊的要求，本設(shè)計(jì)針對(duì)續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)的應(yīng)用需求，通過(guò)硬件和軟件低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)行試驗(yàn)，鋰電池管理系統(tǒng)各項(xiàng)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)。