超低功耗的鋰電池管理系統設計

　　為了滿(mǎn)足某微功耗儀表的應用，提高安全性能，提出了一種超低功耗鋰電池管理系統的設計方案。該方案采用雙向高端微電流檢測電路，結合開(kāi)路電壓和電荷積分算法實(shí)現電量檢測。采用紐扣電池代替DC/DC降壓電路最大程度降低功耗。系統實(shí)現了基本保護、剩余電量檢測、故障記錄等功能。該鋰電池管理系統在儀表上進(jìn)行驗證，結果表明具有良好的穩定性和可靠性，平均工作電流僅145μA。

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的快速發(fā)展，儀器儀表的應用領(lǐng)域不斷拓寬，電池供電成為了重要的選擇。電池管理系統是電池使用安全性的有效保障。目前的電池管理系統大多為大容量電池組、短續航時(shí)間的應用而設計，這種管理系統服務(wù)的設備功耗大，電池的循環(huán)時(shí)間短，管理系統自身的功耗也不低，不適合在低功耗儀表場(chǎng)上使用。某燃氣遠程監控儀表，平均系統電流僅為幾毫安，要求在低溫下連續運行6個(gè)月以上，為了滿(mǎn)足該工程的應用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統的設計方案，對20Ah 4串8并的32節單體電芯進(jìn)行管理。具有基本保護、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實(shí)驗驗證該系統各項功能性能良好，達到了設計要求。

　　1. 系統的總體結構

　　低溫鋰電池管理系統主要由基本保護電路、電量計、均衡電路、二級保護等幾個(gè)部分組成，如圖1所示。

　　圖1 低溫鋰電池管理系統結構

　　基于低功耗的考慮，設計中采用了許多低功耗器件，如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機;電壓基準采用REF3325,該基準電源的功耗極低僅3.9μA;運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數字電位器采用了靜態(tài)電流低至50nA的AD5165等。對工作電流較大的間歇性工作電路增加了電源管理電路，以降低能耗。

　　低溫電池組的額定電壓為14.8V,由4組電芯串聯(lián)而成，每組電芯包含8節單體電 芯，正常的工作電壓為2.5~4.2V。每個(gè)采集周期采集各組電芯的電壓，處理器根據電壓大小給保護執行電路發(fā)出指令，執行相應的保護動(dòng)作。均衡電路用單片機和三極管實(shí)現，代替了均衡專(zhuān)用芯片。系統會(huì )把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時(shí)間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲設備內。處理器提供了TTL通信接口，現場(chǎng)的計算機可以通過(guò)一個(gè)TTLRS232轉換模塊讀取存儲設備中的日志。充電過(guò)程中為了防止MCU死機等異常而出現保護失效。增加了二級保護電路，若電壓超出預設值，將會(huì )啟動(dòng)二級保護電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發(fā)生。

　　2. 硬件設計

　　2.1 保護執行電路

　　保護執行電路是保護動(dòng)作的執行機構，CH 是充電控制開(kāi)關(guān)，DISCH是放電控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制CH和DISCH做出相應的保護動(dòng)作，電路圖如圖2所示。

　　圖2 保護執行電路

　　CH和DISCH在正常工作時(shí)置為低電平，此時(shí)M1和M2均導通。當出現放電過(guò)流或者過(guò)放電狀態(tài)，DISCH 置為高電平，此時(shí)Q2斷開(kāi)，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關(guān)閉，完成保護。當出現充電過(guò)流或者過(guò)充電狀態(tài)，將CH置為高電平，關(guān)閉M1.電路中MOSFET選用了IRF4310,該MOSFET導通電阻僅為7kΩ，通流能力可達140A。

　　2.2 均衡電路和二級保護

　　圖3(a)給出了某組電芯充電均衡電路的示意圖，充電均衡電路由4個(gè)該種單元串聯(lián)而成。由單片機采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過(guò)程中若電壓超過(guò)4.2V,單片機控制腳BLA置為高電平，此時(shí)該組電芯被短路，充電電流流經(jīng)R4給其他組電芯充電，由此保證各組電芯電量在充電完成后具有較好的一致性。

　　二級保護是不可逆的，只有在非常危急的情況下才會(huì )啟動(dòng)，電路如圖3(b)所示。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過(guò)4.4V,OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開(kāi)始加熱，當溫度超過(guò)139℃時(shí)保險絲就會(huì )熔 斷。

　　圖3 充電均衡和二級保護電路

　　3. 雙向高端微電流檢測電路

　　在單電源供電的微小信號檢測應用中，由于采樣電壓很小，常受制于運放的供電軌而難以完成對小信號的檢測。本設計中采用了電流高端檢測電路，可以擺脫單電源供電對小信號檢測的限制。高端檢測電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運放，電路示意圖見(jiàn)圖4。

　　圖4 電流檢測電路