電池智能管理系統應用

研發(fā)于20世紀90年代末期，致力于將充電技術(shù)從電池化學(xué)中分離出來(lái)并支持平臺無(wú)關(guān)的可以互換的電池模塊。從此智能電池廣泛應用于從筆記本電腦和手機到無(wú)線(xiàn)玩具和手持吸塵器等電器上。幾家銷(xiāo)售這些設備的公司都按照智能電池充電器和智能電池管理電路的標準執行。但是新的電池化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和當前電池系統的應用空間越來(lái)越小，這就促使電池管理系統不斷改進(jìn)直到接近了它的極限。直到Actel的可編程門(mén)陣列的出現為電池智能管理應用系統的革新打開(kāi)了一扇大門(mén)。

　　從圖1可以看出，智能電池的概念界定為界面，數據集，智能電池的處理方式，電池選擇器，電池充電器和智能電池系統的主元素。這個(gè)應用概述主要描述了一個(gè)智能電池系統所必需的組成部分，并用插圖描述了Actel可編程門(mén)陣列FPGA是如何節省空間并實(shí)現了所有必須的功能。

　　圖2是一個(gè)典型的利用成品元件的智能電池的執行圖。智能電池一般包括一個(gè)或多個(gè)二次電池單元，模擬監控芯片，數字控制器芯片，各種二極管，晶體管，被動(dòng)器件及多余的安全監控芯片。這些都用來(lái)監控電池的電壓，電流和溫度，控制電池包在允許的范圍內放電和充電。

　　Actel的可編程門(mén)陣列同時(shí)提供了模擬監控和數字控制的功能。一些制造廠(chǎng)家更愿意保留多余的安全器，這種熔斷型的擁有足夠多資源的FPGA器件在應用中提供了很大的靈活性。

　　模擬功能

　　職能電池控制器必須能夠測量電池包里每個(gè)電池組的電壓值，也必須能夠測量電池充放電的電流和溫度，同時(shí)它也能驅動(dòng)電池外部的一系列晶體管去控制電池包的放電，充電和熔斷保護。為了實(shí)現這些功能，熔斷設備里有一系列的模擬輸入和輸出接口，這些管腳分類(lèi)排列的接口被稱(chēng)為模擬嵌塊，每個(gè)模擬嵌塊都給對應的模擬多路器提供模擬信號，隨后通過(guò)內部采樣模塊和保持電路，最后到達12位模數轉換器。

　　模擬嵌塊可配置用來(lái)測量電池的電壓，電流和溫度，三個(gè)輸入端的任何一個(gè)端口都可以用來(lái)測量電池的單端電壓，AV和AC的輸入都可以作為差分信號，通過(guò)外部的電流監控電阻器來(lái)測量電壓降，同時(shí)AT可以配置為外部的二極管提供小的震蕩電流以便測量二極管周?chē)臏囟取?/P>

　　然而大部分的電池不需要提供負極電壓，這種控制輸入電壓的能力消除了外部部件電路，同時(shí)提高了測量電壓的精度。以典型的3組鋰離子電池包為例，Actel的可編程門(mén)陣列里12位模數轉換器可以提供分辨率為4mV和0.25V準確度不可調的電壓測量。這對于電池的控制保護電路已經(jīng)足夠了。

　　除了模擬輸入，每個(gè)模擬嵌塊都包含有金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管控制器。這些驅動(dòng)器有可編程的驅動(dòng)力，并且能將金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管的場(chǎng)力拉到地面。這種驅動(dòng)器是在大多數的電池智能管理項目中用來(lái)控制各種MOSFET開(kāi)關(guān)的最佳選擇。、

　　不像大多數的成品管理設備，熔斷設備集成了RC振蕩器，因此就不需要外部晶振，通過(guò)耦合任何一個(gè)帶鎖相環(huán)和精確的多路復用器的熔斷器，這種獨特的特征能夠很好的保護電池電力，在沒(méi)有外部器件的情況下，通過(guò)一個(gè)非常慢的處理時(shí)鐘來(lái)實(shí)現。

　　在智能電池的應用中，當.處于待命狀態(tài)時(shí)，熔斷實(shí)時(shí)計數器能用作定期喚醒設備并更新設備狀態(tài)的間隔定時(shí)器。同時(shí)，這個(gè)電路包含一個(gè)活躍的探測器，能夠用來(lái)喚醒設備，不論是例如按鈕的外部事件還是總線(xiàn)的活動(dòng)都能檢測到。

　　最后，熔斷模擬部件包括一個(gè)電壓調節器，用來(lái)為熔斷設備提供1.5V電壓，設備內核工作在1.5V電壓下可以節省一半的電量，這個(gè)調節器有一個(gè)跟上面提到的RTC電路相聯(lián)系的內部關(guān)閉裝置，通過(guò)關(guān)閉調節器能夠使關(guān)閉電路允許FPGA邏輯性達到初始的待命模式，不論是外部的事件引起，還是RTC的計數達到了程序設定值，通過(guò)啟動(dòng)調節器，RTC都能使設備工作。

　　數字模擬

　　在FPGA架構中，汽車(chē)管理系統界面（俗稱(chēng)SM BUS）的數據交換，開(kāi)機的初始化邏輯，關(guān)機狀態(tài)保存的參數及機器的實(shí)時(shí)變量，或從集成處理器輸入的ADC序列參數的處理及各種操作必要的計算是通過(guò)數字邏輯實(shí)現的，從而可以正確的監視和控制智能電池的充放電。并且，FPGA邏輯能支持特定的設計例如：電池的可靠性，額外的電池的安全性，獨特的多電池構造，或者在成品電池控制中不能被發(fā)現的特點(diǎn)。

　　穩定記憶（非易失性?xún)却?NVW）

　　對于智能電池的應用，NVW通常被用來(lái)儲存進(jìn)入待機狀態(tài)前或關(guān)機休眠模式的各參數的變量，以及在任何狀態(tài)下開(kāi)機時(shí)初始化設備。NVW也可能用來(lái)執行ROM機器代碼的命令，或者為嵌入數據處理機儲存微代碼命令。

　　穩定性

　　穩定性是熔斷設備（保險裝置）的關(guān)鍵特征，基于這個(gè)特征才使這個(gè)設備適用于智能電池的應用。熔斷設備（保險裝置）是隨開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)啟動(dòng)的。熔斷設備隨著(zhù)電壓的升高也能正常工作，基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列結構即使在沒(méi)有電力的情況下也能保持它的程序狀態(tài)，當核心電壓達到啟動(dòng)電壓設備就能運行，這就意味著(zhù)可編程門(mén)陣列在升壓過(guò)程中能夠可靠的控制MOSFET狀態(tài)，并且能滿(mǎn)足汽車(chē)管理系統的要求，在微秒范圍內就能起到監控作用。

　　總結

　　Actel的可編程門(mén)陣列融合了標準智能電池.和控制器所需的特征，能夠對模擬態(tài)的電壓，電流和溫度的進(jìn)行測量。Fusion FPGAs（可編程門(mén)陣列）包含了對電池的各種狀態(tài)參數儲存的NVM和處理器代碼儲存的NVM。在A(yíng)ctel的可編程門(mén)陣列中，可編的數字邏輯門(mén)和嵌入數據處理機融合在一起的特點(diǎn)，使其單芯片的解決方案給創(chuàng )造力和革新留下足夠的空間。