智能化鋰離子電池管理系統的設計與實(shí)現

1 引言

　　現代的移動(dòng)通信設備越來(lái)越重視移動(dòng)設備電源問(wèn)題。移動(dòng)電源的核心問(wèn)題是可充電電池的管理問(wèn)題，由于電池的管理與電池的化學(xué)特性密切相關(guān)，不同種類(lèi)的電池具有不同的充電和使用特性，即使相同種類(lèi)電池，由于采用電池材料特性不同，對充電和使用要求也不相同，因此使電池自己實(shí)現智能管理是電池用戶(hù)的迫切要求。為解決電池的使用問(wèn)題實(shí)現電池的“即插即用”，智能電池開(kāi)始得到廣泛應用，國際上一些著(zhù)名的電池公司均開(kāi)發(fā)了針對自己電池特性的智能電池體系。

　　目前電池實(shí)現智能化的途徑有兩種，一種是采用一些專(zhuān)用的集成電路來(lái)實(shí)現，一種是采用集成了模擬模塊的單片機來(lái)實(shí)現。專(zhuān)用集成電路的方案存在以下缺點(diǎn)：只針對一種電池和一類(lèi)電池的特性，電氣接口和制式不統一，有的專(zhuān)用集成電路已跟不上電池技術(shù)的發(fā)展。本文采用的是單片機方案，實(shí)現對采用鋰鈷材料體系生產(chǎn)的18650電池的智能化管理，同時(shí)考慮未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展，并借鑒了智能電池技術(shù)成熟應用，選用了SMBus1.1做為智能電池數據通信接口，該方案具有通用、可擴展、易升級等特點(diǎn)。

2 系統構成及其主要功能

系統構成原理框圖如圖1所示。

　　本系統采用Motorola68HC908單片微處理器（簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）對4節串聯(lián)的18650型鋰離子電池進(jìn)行統一管理。該MCU具有12K閃速內存貯器，可在線(xiàn)擦寫(xiě)10萬(wàn)次。具有14路A/D 10位的信號采集口，兩路增益可編程運算放大器，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便實(shí)現多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協(xié)議實(shí)現數據通信功能，另外該系列MCU在設計上具有完善的電磁兼容防護措施，具有抗干擾能力強，可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應用到電力電子、汽車(chē)控制、及軍工領(lǐng)域,可以實(shí)現對鎳氫電池、鎘鎳電池、鋰離子電池的智能控制，滿(mǎn)足智能化電池的設計使用需求。在本方案中，通過(guò)MCU與電池組互連的方式使智能電池主要具有以下功能：

　　供電功能

　　當智能電池與用電器對接時(shí)，將自動(dòng)喚醒MCU控制電池給用電器供電。另外也可與智能化充電機、手搖發(fā)電機一起為用電器浮充供電。

　　充電功能

　　通過(guò)智能充電器給智能電池充電，它們通過(guò)SMBus總線(xiàn)互連進(jìn)行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個(gè)階段，首先進(jìn)行恒流充電，當電池電壓達到一定值時(shí)改為恒壓充電。因此MCU要不斷的監測電池組電壓，實(shí)現對充電電壓的控制。

　　通信功能

　　電池與用電器、智能化充電機能夠相互傳送各自所需的固定信息、動(dòng)態(tài)信息及告警信息。其中固定信息包括：電池廠(chǎng)商信息（生產(chǎn)廠(chǎng)家、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批號）、電池的化學(xué)成份、額定電壓、額定容量、規范信息、名稱(chēng)等信息。動(dòng)態(tài)信息包括：剩余容量、滿(mǎn)充容量、電池模式、溫度、溫升、充電電壓、充電電流、循環(huán)次數、剩余工作時(shí)間、電池狀態(tài)（告警）等信息。

　　另外智能電池還具有剩余容量LED顯示、自動(dòng)保護等功能。

3系統硬件電路設計

　　3.1信號的采集

　　在本系統中，MCU采集的信號有電壓信號、電流信號和溫度信號。采集的方法如下：

　　電壓測量

　　電壓的測量采用電阻分壓取樣測量電壓，通過(guò)測量分壓電阻的電壓值來(lái)測量電池組端電壓，電阻分壓比1：7， 電阻精度：±0.5%。其中分壓電組的電壓值采樣通過(guò)MCU內部10Bit ADC 完成。