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設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2014-10-08 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文提出的超低功耗鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,安全性能得到了提高,同時(shí)也滿足了微功耗儀表的應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)是將電荷積分算法核開路電壓結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)電量測(cè)量,采用了雙向高端微電流檢測(cè)電路。DC/DC降壓電路被紐扣電池取代大大降低功耗,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本保護(hù)、故障記錄、剩余電量檢測(cè)的功能。
 
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,儀器儀表的應(yīng)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(tǒng)是電池使用安全性的有效保障。目前的電池管理系統(tǒng)大多為大容量電池組、短續(xù)航時(shí)間的應(yīng)用而設(shè)計(jì),這種管理系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備功耗大,電池的循環(huán)時(shí)間短,管理系統(tǒng)自身的功耗也不低,不適合在低功耗儀表場(chǎng)上使用。某燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)控儀表,平均系統(tǒng)電流僅為幾毫安,要求在低溫下連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月以上,為了滿足該工程的應(yīng)用,本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,對(duì)20Ah 4串8并的32節(jié)單體電芯進(jìn)行管理。具有基本保護(hù)、電量計(jì)量、充電均衡和故障記錄功能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
 
硬件設(shè)計(jì)

1、均衡電路和二級(jí)保護(hù)
 
充電均衡電路由4個(gè)該種單元串聯(lián)而成。由單片機(jī)采集ADV端電壓,可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2V,單片機(jī)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(jí)保護(hù)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1所示。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級(jí)保護(hù)芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V,OUT將輸出高電平,三端保險(xiǎn)絲F3開始加熱,當(dāng)溫度超過139℃時(shí)保險(xiǎn)絲就會(huì)熔 斷。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖1:某組電芯充電均衡電路的示意圖
 
 
2、保護(hù)執(zhí)行電路
 
保護(hù)執(zhí)行電路是保護(hù)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu),CH 是充電控制開關(guān),DISCH是放電控制開關(guān),通過控制CH和DISCH做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作,電路圖如圖2所示。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖2:保護(hù)執(zhí)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(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)放電過流或者過放電狀態(tài),DISCH 置為高電平,此時(shí)Q2斷開,Q3導(dǎo)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(hù)。當(dāng)出現(xiàn)充電過流或者過充電狀態(tài),將CH置為高電平,關(guān)閉M1.電路中MOSFET選用了IRF4310,該MOSFET導(dǎo)通電阻僅為7kΩ,通流能力可達(dá)140A。

3、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
 
低溫鋰電池管理系統(tǒng)主要由基本保護(hù)電路、電量計(jì)、均衡電路、二級(jí)保護(hù)等幾個(gè)部分組成。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖3:低溫鋰電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
基于低功耗的考慮,設(shè)計(jì)中采用了許多低功耗器件,如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機(jī);電壓基準(zhǔn)采用REF3325,該基準(zhǔn)電源的功耗極低僅3.9μA;運(yùn)放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數(shù)字電位器采用了靜態(tài)電流低至50nA的AD5165等。對(duì)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(jié)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(jù)電壓大小給保護(hù)執(zhí)行電路發(fā)出指令,執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。均衡電路用單片機(jī)和三極管實(shí)現(xiàn),代替了均衡專用芯片。系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)備內(nèi)。處理器提供了TTL 通信接口,現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)可以通過一個(gè)TTLRS232轉(zhuǎn)換模塊讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的日志。充電過程中為了防止MCU死機(jī)等異常而出現(xiàn)保護(hù)失效。增加了二級(jí)保護(hù)電路,若電壓超出預(yù)設(shè)值,將會(huì)啟動(dòng)二級(jí)保護(hù)電路,熔斷三端保險(xiǎn)絲,阻止事故的發(fā)生。

4、電源設(shè)計(jì)
 
電源設(shè)計(jì)采用了紐扣電池給系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)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4所示。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖4:數(shù)字電源示意圖
 
圖中R為數(shù)字電位器,選用ADI公司的AD5165,它的調(diào)節(jié)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(hào)支持最大800μA的最大電流放電。采集時(shí)間到來根據(jù)電池組電壓值CELL4+ 調(diào)整電位器的阻值,R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],閉合開關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓,由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓,說明紐扣電池電壓過低,則斷開W2并調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用適當(dāng)?shù)碾娏鲗?duì)紐扣電池進(jìn)行充電。下一個(gè)采集周期到來重新調(diào)整數(shù)字電位器R,閉合W1和W2并采集POW_DET的電壓,由此來判定紐扣電池的電量是否充滿,若 D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓,說明紐扣電池充滿,則斷開W1和W2。由此完成對(duì)紐扣電池的充電調(diào)節(jié)控制。3.3V數(shù)字電源經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成模擬電源。
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5、雙向高端微電流檢測(cè)電路
 
在單電源供電的微小信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用中,由于采樣電壓很小,常受制于運(yùn)放的供電軌而難以完成對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)中采用了電流高端檢測(cè)電路,可以擺脫單電源供電對(duì)小信號(hào)檢測(cè)的限制。高端檢測(cè)電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運(yùn)放,電路示意圖見圖5。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖5:電流檢測(cè)電路
 
此電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)為25mΩ。當(dāng)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?yàn)轫槙r(shí)針,此時(shí)DIR1為低電平,DIR2為高電平,M1截止,M2導(dǎo)通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4,R5輸出端的電壓信號(hào)為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí),回路電流為逆時(shí)針方向,此時(shí)由運(yùn)放U1完成對(duì)電流信號(hào)的放大,DIR1 為高電平,DIR2為低電平。當(dāng)電池處于閑置狀態(tài)回路無電流時(shí),DIR1和DIR2均為低電平。通過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)。
 
軟件設(shè)計(jì)
 
軟件采用模塊化設(shè)計(jì),主要包含了初始化模塊、紐扣電池電量檢測(cè)和控制模塊、電池組狀態(tài)檢測(cè)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(cè)和異常處理模塊的軟件流程圖,如圖6所示。
 
系統(tǒng)每次采集完電池組的各項(xiàng)信息后會(huì)將本次的測(cè)量值和歷史記錄值比較,若判定本次測(cè)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(chǔ)設(shè)備中。每次的異常狀況也都會(huì)記錄保存,現(xiàn)場(chǎng)的PC可以通過串口讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的日志,查看異常信息。
 
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖6:電池組狀態(tài)檢測(cè)和控制軟件流程圖
 
SOC估算采用了開路電壓和安時(shí) 積分相結(jié)合的估算方法,對(duì)SOC估算精度的影響因素眾多,溫度、放電電流、循環(huán)次數(shù)等都會(huì)帶來誤差,有一種SOC估算公式:
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
其中:SOC為當(dāng)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(shù),為經(jīng)驗(yàn)值。I為測(cè)得的瞬時(shí)電流,充電為負(fù)值,放電為正值。為了得到精確的SOC估算值,需要在運(yùn)用安時(shí)積分法時(shí)定期或不定期地對(duì)于SOC0進(jìn)行修正。
 
某燃?xì)鈨x表的工作電流較為平穩(wěn),功率P=U×I為一固定值,由公式可知隨著電池電壓的降低,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(shè)置為每隔5min采樣一次,以達(dá)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(nèi)的平均電流,由此可得
設(shè)計(jì)方案:超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
鋰電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)目前的工作電流與SOC情況估算出剩余的續(xù)航時(shí)間。

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