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)

3.4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)了開啟和關(guān)閉的開關(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^電池規(guī)定的最大容量，充電過程中溫升大于3℃/2min，充電溫度≤ -20℃、≥+55℃，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)，智能管理電路通過對(duì)電壓、電流測(cè)量及上次充電過程數(shù)據(jù)記錄，防止電池過放電損壞。當(dāng)智能管理電路發(fā)現(xiàn)電池繼續(xù)放電會(huì)造成過度放電時(shí)(單體電池電壓≤2.5V)，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。在使用過程中異常的溫升需特別對(duì)待，特別是充電過程中大于3℃/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：

(1)充電過程中2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度值相差不到2℃，連續(xù)的溫度變化率相差不超過2℃，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。

(2)充電過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3℃/2min，判別為充電異常溫升。

(3)智能電池被充電喚醒后電池組溫度(平均溫度)變化率超過3℃/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程中，環(huán)境溫度在低于電池溫度-20℃情況下電池組不允許充電，-20℃~+10℃ 不允許大電流充電，+10℃~+55℃允許大電流充電，在+75℃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=∫i dt

由于68HC908單片機(jī)內(nèi)部的ADC采用了∑—S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)軟件是被寫入到68HC908的FLASH 中，經(jīng)過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)，軟件的開發(fā)平臺(tái)為68HC908集成開發(fā)環(huán)境。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

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SMBus1.1協(xié)議進(jìn)行訪問。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)通過讀取這些信息可以知道智能電池制造、使用的全過程信息及電池當(dāng)前使用的狀況。

5結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一套智能電池管理系統(tǒng)開發(fā)方案，闡明了管理系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方法。采用低功耗的設(shè)計(jì)思想，確保電路的自耗電滿足電池存儲(chǔ)的需求。充分利用68HC908系列單片機(jī)豐富的對(duì)外接口控制功能，利用SMBus總線為用電器和智能化充電機(jī)隨時(shí)提供所需的各種信息。本系統(tǒng)方便了用戶，減少了操作，實(shí)現(xiàn)了智能化、一體化設(shè)計(jì)。