超低功耗的鋰電池管理系統設計

　　此電路可以實(shí)現對雙向小電流的采樣放大及判定電流的方向。R9為采樣電阻，考慮到短路時(shí)電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設為25mΩ。當電池處于放電狀態(tài)，假定電流源、R9和LOAD組成的環(huán)路電流方向為順時(shí)針，此時(shí)DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導通。流過(guò)R4的電流IR4=R9×IR9/R4,R5輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當電池處于充電狀態(tài)時(shí)，回路電流為逆時(shí)針?lè )较?，此時(shí)由運放U1完成對電流信號的放大，DIR1 為高電平，DIR2為低電平。當電池處于閑置狀態(tài)回路無(wú)電流時(shí)，DIR1和DIR2均為低電平。通過(guò)DIR1和DIR2的邏輯狀態(tài)可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態(tài)。

　　4. 電源設計

　　電源設計采用了紐扣電池給系統供電的設計方案，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降壓芯片的損耗功耗，電路示意圖如圖5所示。

　　圖5 數字電源示意圖

　　圖中R為數字電位器，選用ADI公司的AD5165,它的調節范圍從0~100kΩ，靜態(tài)電流僅50nA.V1和V2為紐扣電池，選用日本精工的MS920SE,該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時(shí)間到來(lái)根據電池組電壓值CELL4+ 調整電位器的阻值，R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],閉合開(kāi)關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓，由此來(lái)判定紐扣電池的電量。若D1陽(yáng)極電壓值小于充電閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池電壓過(guò)低，則斷開(kāi)W2并調節數字電位器用適當的電流對紐扣電池進(jìn)行充電。下一個(gè)采集周期到來(lái)重新調整數字電位器R,閉合W1和W2并采集POW_DET的電壓，由此來(lái)判定紐扣電池的電量是否充滿(mǎn)，若D1陽(yáng)極電壓大于充電完成閾值電壓，說(shuō)明紐扣電池充滿(mǎn)，則斷開(kāi)W1和W2。由此完成對紐扣電池的充電調節控制。3.3V數字電源經(jīng)LC濾波轉換成模擬電源。

　　5. 軟件設計

　　軟件采用模塊化設計，主要包含了初始化模塊、紐扣電池電量檢測和控制模塊、電池組狀態(tài)檢測和異常處理模塊、電量估算模塊4部分。文中給出了電池組狀態(tài)檢測和異常處理模塊的軟件流程圖，如圖6所示。

　　系統每次采集完電池組的各項信息后會(huì )將本次的測量值和歷史記錄值比較，若判定本次測量值為最大或者最小值，則將該值覆蓋歷史值，并保存在存儲設備中。每次的異常狀況也都會(huì )記錄保存，現場(chǎng)的PC可以通過(guò)串口讀取存儲設備中的日志，查看異 常信息。

　　圖6 電池組狀態(tài)檢測和控制軟件流程圖

　　SOC估算采用了開(kāi)路電壓和安時(shí) 積分相結合的估算方法，對SOC估算精度的影響因素眾多，溫度、放電電流、循環(huán)次數等都會(huì )帶來(lái)誤差，有一種SOC估算公式：

　　其中：SOC為當前的電量，SOC0為初始狀態(tài)的電荷量，C為電池的容量，K為修正系數，為經(jīng)驗值。I為測得的瞬時(shí)電流，充電為負值，放電為正值。為了得到精確的SOC估算值，需要在運用安時(shí)積分法時(shí)定期或不定期地對于SOC0進(jìn)行修正。

　　某燃氣儀表的工作電流較為平穩，功率P=U×I為一固定值，由公式可知隨著(zhù)電池電壓的降低，儀表的工作電流增大。鑒于電池電壓變化緩慢，本方案中電流采樣電路設置為每隔5min采樣一次，以達到降低功耗的目的。將第n次采樣電流in視為該次采樣周期內的平均電流，由此可得

　　鋰電池管理系統可以根據目前的工作電流與SOC情況估算出剩余的續航時(shí)間。

　　結語(yǔ)

　　有些低功耗的儀表對電池的續航時(shí)間有特殊的要求，本設計針對續航時(shí)間較長(cháng)的應用需求，通過(guò)硬件和軟件低功耗技術(shù)設計了一種應用于低功耗儀表的鋰電池管理系統，可以完成對4串8并32節低溫鋰電池組的管理功能。經(jīng)某燃氣遠程監控儀表運行試驗，鋰電池管理系統各項功能性能良好，工作電流僅為145μA,遠遠低于現有的鋰電池智能管理系統。