浅谈智能化锂离子电池管理系统的设计与实现.doc

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1、浅谈智能化锂离子电池管理系统的设计与实现　　　　1浅谈智能化锂离子电池管理系统的设计与实现　　　　1引言　　现代的移动通信设备越来越重视移动设备电源问题。移动电源的核心问题是可充电电池的管理问题，由于电池的管理与电池的化学特性密切相关，不同种类的电池具有不同的充电和使用特性，即使相同种类电池，由于采用电池材料特性不同，对充电和使用要求也不相同，因此使电池自己实现智能管理是电池用户的迫切要求。为解决电池的使用问题实现电池的“即插即用”，智能电池开始得到广泛应用，国际上一些着名的电池公司均开发了针对自

2、己电池特性的智能电池体系。　　目前电池实现智能化的途径有两种，一种是采用一些专用的集成电路来实现，一种是采用集成了模拟模块的单片机来实现。专用集成电路的方案存在以下缺点：只针对一种电池和一类电池的特性，电气接口和制式不统一，有的专用集成电路已跟不上电池技术的发展。本文采用的是单片机方案，实现对采用锂钴材料体系生产的18650电池的智能化管理，同时考虑未来电池技术的发展，并借鉴了智能电池技术成熟应用，选用了SMBus1.1做为智能电池数据通信接口，该方案具有通用、可扩展、易升级等特点。　　　　2系统

3、构成及其主要功能　　　　系统构成原理框图如图1所示。　　本系统采用Motorola68HC908单片微处理器（简称MCU）对4节串联的18650型锂离子电池进行统一管理。该MCU具有12K闪速内存贮器，可在线擦写10万次。具有14路A/D10位的信号采集口，两路增益可编程运算放大器，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便实现多路模拟信号的采集和按SMBus1.1协议实现数据通信功能，另外该系列MCU在设计上具有完善的电磁兼容防护措施，具有抗干扰能力强，可靠性高的特点，可广泛应用到电力电

4、子、汽车控制、及军工领域，可以实现对镍氢电池、镉镍电池、锂离子电池的智能控制，满足智能化电池的设计使用需求。在本方案中，通过MCU与电池组互连的方式使智能电池主要具有以下功能：　　　　供电功能　　当智能电池与用电器对接时，将自动唤醒MCU控制电池给用电器供电。另外也可与智能化充电机、手摇发电机一起为用电器浮充供电。　　　　充电功能　　通过智能充电器给智能电池充电，它们通过SMBus总线互连进行信息交换。锂离子电池充电一般分两个阶段，首先进行恒流充电，当电池电压达到一定值时改为恒压充电。因此MCU要

5、不断的监测电池组电压，实现对充电电压的控制。　　　　通信功能　　电池与用电器、智能化充电机能够相互传送各自所需的固定信息、动态信息及告警信息。其中固定信息包括：电池厂商信息（生产厂家、生产日期、生产批号）、电池的化学成份、额定电压、额定容量、规范信息、名称等信息。动态信息包括：剩余容量、满充容量、电池模式、温度、温升、充电电压、充电电流、循环次数、剩余工作时间、电池状态（告警）等信息。　　另外智能电池还具有剩余容量LED显示、自动保护等功能。　　　　3系统硬件电路设计　　　　3.1信号的采集　　在

6、本系统中，MCU采集的信号有电压信号、电流信号和温度信号。采集的方法如下：　　　　电压测量　　电压的测量采用电阻分压取样测量电压，通过测量分压电阻的电压值来测量电池组端电压，电阻分压比1：7，电阻精度：±0.5%。其中分压电组的电压值采样通过MCU内部10BitADC完成。　　　　电流测量　　电流的测量采用精密电流采样电阻测量电流。在电池组的负极串联一个20毫欧精密电阻，通过测量这个电阻的电压降来测量工作电流，电阻精度为0.5%。精密电阻两端电压的测量也是通过MCU内置的ADC采样完成。　　温度测

7、量　　温度的测量采用负温度系数的热敏电阻测量温度，通过测量热敏电阻的阻值来测量电池温度，热敏电阻阻值精度为1%。热敏电阻应紧贴电池表面，每两只电池共用一只热敏电阻。　　　　3.2均衡保护电路的设计　　锂离子电池充放电过程中需监测每节电池的电压。因为在同一电流充放电中串联的4节电池的电压升降可能不会完全相同，这将会导致某一电池的过冲或过放，因此要增加电池均衡电路，使4节串联的电池电压大小在一定误差范围内保持时刻一致。在本方案中，利用MCU的I/O口来控制运算放大器，使电压变化较快的电池通过三极管短暂

8、充放电来完成。　　　　3.3保护开关的设计　　保护开关选择功率MOS管作为充电和放电保护开关，MOS管选择为IRF4905。IRF4905S导通电阻为5毫欧，电流为60A。通过MCU的I/O口来控制MOS管的导通和截止。由于I/O口的功率有限，因此本系统中在I/O口和MOS管中增加了三极管驱动电路。　　　　3.4系统低功耗设计　　对于需要连续供电的器件应选择较低漏电流的器件。稳压电源选择TPS71533，运算放大器选择低功耗运放。测量电路设计了开启和关闭的开关，在不需测量的状态下，