智能化鋰離子電池管理系統的設計與實(shí)現

　　電流測量

　　電流的測量采用精密電流采樣電阻測量電流。在電池組的負極串聯(lián)一個(gè)20毫歐精密電阻，通過(guò)測量這個(gè)電阻的電壓降來(lái)測量工作電流，電阻精度為0.5%。精密電阻兩端電壓的測量也是通過(guò)MCU內置的ADC采樣完成。

　　溫度測量

　　溫度的測量采用負溫度系數的熱敏電阻測量溫度，通過(guò)測量熱敏電阻的阻值來(lái)測量電池溫度，熱敏電阻阻值精度為1%。熱敏電阻應緊貼電池表面，每?jì)芍浑姵毓灿靡恢粺崦綦娮琛?P>　　3.2均衡保護電路的設計

　　鋰離子電池充放電過(guò)程中需監測每節電池的電壓。因為在同一電流充放電中串聯(lián)的4節電池的電壓升降可能不會(huì )完全相同，這將會(huì )導致某一電池的過(guò)沖或過(guò)放，因此要增加電池均衡電路，使4節串聯(lián)的電池電壓大小在一定誤差范圍內保持時(shí)刻一致。在本方案中，利用MCU的I/O口來(lái)控制運算放大器，使電壓變化較快的電池通過(guò)三極管短暫充放電來(lái)完成。

　　3.3保護開(kāi)關(guān)的設計

　　保護開(kāi)關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護開(kāi)關(guān)，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導通電阻為5毫歐，電流為60 A。通過(guò)MCU的I/O口來(lái)控制MOS管的導通和截止。由于I/O口的功率有限，因此本系統中在I/O口和MOS管中增加了三極管驅動(dòng)電路。

　　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。

　?。?）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：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。