淺談智能化鋰離子電池管理系統的設計與實(shí)現

3.4系統低功耗設計

對于需要連續供電的器件應選擇較低漏電流的器件。穩壓電源選擇TPS71533，運算放大器選擇低功耗運放。測量電路設計了開(kāi)啟和關(guān)閉的開(kāi)關(guān)，在不需測量的狀態(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(guò)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)閉電壓測量、溫度測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。當顯示按鍵按下時(shí)，CPU即由Stop模式進(jìn)入Run模式;當有電流流過(guò)采樣電阻時(shí)，CPU由Stop模式進(jìn)入Run模式。Run模式下，10分鐘內沒(méi)有事件發(fā)生，MCU自動(dòng)進(jìn)入Stop模式。

4系統功能方案及軟件設計

4.1功能方案

4.1.1電池保護管理

智能電池管理電路在電池的使用過(guò)程中，實(shí)時(shí)監控電池的電流、電壓、溫度、容量。智能電池管理系統通過(guò)計算，對鋰離子電池實(shí)現下列保護：

(1)充電時(shí)，當總容量超過(guò)電池規定的最大容量，充電過(guò)程中溫升大于3℃/2min，充電溫度≤ -20℃、≥+55℃，向智能化充電機提供告警信息，并自動(dòng)切斷充電輸入。另外當有一個(gè)單體電池電壓超過(guò)4.25V，向智能化充電機發(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(guò)對電壓、電流測量及上次充電過(guò)程數據記錄，防止電池過(guò)放電損壞。當智能管理電路發(fā)現電池繼續放電會(huì )造成過(guò)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、溫升對電池的影響是不能忽視的。在使用過(guò)程中異常的溫升需特別對待，特別是充電過(guò)程中大于3℃/2min的異常溫升需要采取保護措施。另外溫度對電池的剩余容量有顯著(zhù)的影響，溫度是剩余容量計算、供電時(shí)間預測的重要的修正參數。

智能電池采用多點(diǎn)測溫對電池進(jìn)行溫度管理，識別電池組溫度，單體電池的異常溫升，環(huán)境溫度巨變。智能電池按以下規則識別：

(1)充電過(guò)程中2個(gè)測溫點(diǎn)溫度值相差不到2℃，連續的溫度變化率相差不超過(guò)2℃，判別為電池組溫度。其它智能設備讀取的電池溫度為所有測溫點(diǎn)的平均值。

(2)充電過(guò)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)測溫點(diǎn)的溫度變化率超過(guò)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(guò)3℃/2min需試驗確定，判別為環(huán)境溫度巨變。

智能電池在充電的過(guò)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容量的計算的方法

容量計算的基礎是測量的電流對時(shí)間的積分，計算公式為：

Q=∫i dt

由于68HC908單片機內部的ADC采用了∑—S方式，轉換速度很快，以累加的方式可以實(shí)現精度較高容量計算。

4.2系統軟件設計

智能電池管理系統軟件是被寫(xiě)入到68HC908的FLASH 中，經(jīng)過(guò)電路處理電池的電流、電壓、溫度模擬信號轉換成數據，根據這些數據結合電池的特性，完成系統功能方案指定的功能并且可以向與智能電池和電臺提供相關(guān)電池的信息。軟件的硬件平臺是68HC908單片機，軟件的開(kāi)發(fā)平臺為68HC908集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。程序結構框圖如圖2所示：

另外，智能電池提供統一的智能接口，這些智能的接口可以通過(guò)SMBus1.1協(xié)議進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。智能充電機、用電器可以采用相同的總線(xiàn)技術(shù)按照SMBus1.1規范的協(xié)議簡(jiǎn)單、方便地訪(fǎng)問(wèn)這些接口。智能電池提供的這些接口能滿(mǎn)足用電器及充電機向系統化、統一化、智能化方向發(fā)展要求。用電器、充電機通過(guò)讀取這些信息可以知道智能電池制造、使用的全過(guò)程信息及電池當前使用的狀況。

5結束語(yǔ)

本文給出了一套智能電池管理系統開(kāi)發(fā)方案，闡明了管理系統的功能和實(shí)現方法。采用低功耗的設計思想，確保電路的自耗電滿(mǎn)足電池存儲的需求。充分利用68HC908系列單片機豐富的對外接口控制功能，利用SMBus總線(xiàn)為用電器和智能化充電機隨時(shí)提供所需的各種信息。本系統方便了用戶(hù)，減少了操作，實(shí)現了智能化、一體化設計。