本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，對20Ah 4串8并的32節(jié)單體電芯進(jìn)行管理。該方案具有基本保護(hù)、電量計量、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)計要求。
目前的電池管理系統(tǒng)大多為大容量電池組、短續(xù)航時間的應(yīng)用而設(shè)計，這種管理系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備功耗大，電池的循環(huán)時間短，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)計方案，對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)計要求。
1 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、均衡電路、二級保護(hù)等幾個部分組成，如圖1所示。
基于低功耗的考慮，設(shè)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(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)會把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲設(shè)備內(nèi)。處理器提供了TTL通信接口，現(xiàn)場的計算機(jī)可以通過一個TTLRS232轉(zhuǎn)換模塊讀取存儲設(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。增加了二級保護(hù)電路，若電壓超出預(yù)設(shè)值，將會啟動二級保護(hù)電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發(fā)生。
2 硬件設(shè)計
2.1 保護(hù)執(zhí)行電路
保護(hù)執(zhí)行電路是保護(hù)動作的執(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)動作，電路圖如圖2所示。
CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時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。
2.2 均衡電路和二級保護(hù)
充電均衡電路由4個該種單元串聯(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(hù)是不可逆的，只有在非常危急的情況下才會啟動。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級保護(hù)芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V，OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱，當(dāng)溫度超過139℃時保險絲就會熔 斷。
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(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小信號的檢測。本設(shè)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(yùn)放，電路示意圖見圖4。
此電路可以實(shí)現(xiàn)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針，此時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輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，回路電流為逆時針方向，此時由運(yùn)放 U1完成對電流信號的放大，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，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)。
4 電源設(shè)計
電源設(shè)計采用了紐扣電池給系統(tǒng)供電的設(shè)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，該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時間到來根據(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~扣電池進(jìn)行充電。下一個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。
5 軟件設(shè)計
軟件采用模塊化設(shè)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(tǒng)每次采集完電池組的各項(xiàng)信息后會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(shè)備中。每次的異常狀況也都會記錄保存，現(xiàn)場的PC可以通過串口讀取存儲設(shè)備中的日志，查看異 常信息。
SOC估算采用了開路電壓和安時 積分相結(jié)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(shù)等都會帶來誤差，有一種SOC估算公式：
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為測得的瞬時電流，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)用安時積分法時定期或不定期地對于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)航時間。
結(jié)語
有些低功耗的儀表對電池的續(xù)航時間有特殊的要求，本設(shè)計針對續(xù)航時間較長的應(yīng)用需求，通過硬件和軟件低功耗技術(shù)設(shè)計了一種應(yīng)用于低功耗儀表的鋰電池管理系統(tǒng)，可以完成對4串8并32節(jié)低溫鋰電池組的管理功能。經(jīng)某燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)控儀表運(yùn)行試驗(yàn)，鋰電池管理系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能良好，工作電流僅為145μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的鋰電池智能管理系統(tǒng)。