超低功耗的鋰電池管理系統設計

陳翰沫, 曹明勤, 顧海濤,2

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，杭州310018；2.聚光科技(杭州)股份有限公司)

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超低功耗的鋰電池管理系統設計

陳翰沫1, 曹明勤1, 顧海濤1,2

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，杭州310018；2.聚光科技(杭州)股份有限公司)

為了滿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，結合開路電壓和電荷積分算法實現電量檢測。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145 μA。

低功耗技術；高端檢測；SOC；鋰電池管理系統

引 言

隨著電子技術的快速發展，儀器儀表的應用領域不斷拓寬，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[1]。目前的電池管理系統大多為大容量電池組、短續航時間的應用而設計，這種管理系統服務的設備功耗大，電池的循環時間短，管理系統自身的功耗也不低，不適合在低功耗儀表場上使用。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個月以上，為了滿足該工程的應用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統的設計方案，對20 Ah 4串8并的32節單體電芯進行管理。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3.9 μA；運放用了工作電流僅1.5 μA的LT1495；數字電位器采用了靜態電流低至50 nA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14.8 V，由4組電芯串聯而成，每組電芯包含8節單體電芯，正常的工作電壓為2.5～4.2 V。每個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出指令，執行相應的保護動作。均衡電路用單片機和三極管實現，代替了均衡專用芯片。系統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備內。處理器提供了TTL通信接口，現場的計算機可以通過一個TTL-RS232轉換模塊讀取存儲設備中的日志。充電過程中為了防止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，將會啟動二級保護電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發生。

2 硬件設計

2.1 保護執行電路

保護執行電路是保護動作的執行機構，CH是充電控制開關，DISCH是放電控制開關，通過控制CH和DISCH做出相應的保護動作，電路圖如圖2所示。

圖2 保護執行電路

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

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個該種單元串聯而成。由單片機采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2 V，單片機控制腳BLA置為高電平，此時該組電芯被短路，充電電流流經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啟動，電路如圖3(b)所示。BQ29411是一款靜態電流僅2 μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過4.4 V，OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱，當溫度超過139 ℃時保險絲就會熔斷。

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，電路示意圖見圖4。

圖4 電流檢測電路

此電路可以實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，考慮到短路時電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設為25 mΩ。當電池處于放電狀態，假定電流源、R9和LOAD組成的環路電流方向為順時針，此時DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導通。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。當電池處于充電狀態時，回路電流為逆時針方向，此時由運放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回路無電流時，DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態。

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

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檢測和異常處理模塊的軟件流程圖，如圖6所示。

圖6 電池組狀態檢測和控制軟件流程圖

系統每次采集完電池組的各項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，并保存在存儲設備中。每次的異常狀況也都會記錄保存，現場的PC可以通過串口讀取存儲設備中的日志，查看異常信息。

SOC估算采用了開路電壓和安時積分相結合的估算方法，對SOC估算精度的影響因素眾多[5]，溫度、放電電流、循環次數等都會帶來誤差，李文江等人提出了一種SOC估算公式[6]：

其中：SOC為當前的電量，SOC0為初始狀態的電荷量，C為電池的容量，K為修正系數，為經驗值。I為測得的瞬時電流，充電為負值，放電為正值。為了得到精確的SOC估算值，需要在運用安時積分法時定期或不定期地對于SOC0進行修正，修正方法借鑒了李哲等人提出的算法[7]。

結 語

Design of Ultra-low Power Lithium Battery Management System

Chen Hanmo1, Cao Mingqin1, Gu Haitao1,2

(1. Electronic Information College, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China;2. Focused Photonic (Hangzhou) Inc.)

To meet the application of micro-power instrumentation and to improve security，the paper proposed a design scheme of ultra-low power consumption lithium battery management system. The scheme adopted the bidirectional circuit with the combination of the open-circuit voltage approach and ampere-hour integration approach to achieve the estimation of battery residual capacity. In order to minimize the power consumption, this scheme used button batteries instead of DC/DC circuit. The system realized the basic protection, the remaining capacity detection, and fault recording functions. Experiments with the lithium battery management system on the instrument showed that it has a good stability and reliability. The system average working current is only 145 μA.

low power technology；high-side current sensing；SOC; lithium battery management system

TP277

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