基于OZ3705的電池管理板設計

李 圍，趙 勝，徐進，聶 巍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于OZ3705的電池管理板設計

李 圍，趙 勝，徐進，聶 巍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對鋰電池的實際使用需求，本文介紹了一種基于OZ3705電池管理芯片設計的低功耗電池管理板。本文詳細介紹了該電池管理板的芯片選擇、硬件設計和軟件設計。實際結果表明這種管理板電路結構簡單，功耗低。另外，由于主要利用軟件實現(xiàn)各種功能，該管理板利于進行功能改進。

OZ3705 電池管理板 低功耗

0 引言

出于能源和環(huán)境的考慮，新能源受到越來越多的關注，其中鋰電池作為一種安全又環(huán)保的電池受到很大重視[1]。但由于二次鋰電池自身的特性，過充、過放、高溫、短路等都會對電池性能產生很大的影響，而且也會帶來很大的隱患。因此，在使用二次鋰電池時必須給電池組配上管理板，對鋰電池組進行管理，從而保證鋰電池組的安全穩(wěn)定可靠，并延長電池的使用壽命[2]。目前，電池管理系統(tǒng)是一個研究熱點，對于鋰電池管理板的研究有很多。電池管理板在鋰電池工作過程中時刻監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，根據(jù)檢測到的電壓電流溫度情況控制回路的通斷，從而實現(xiàn)對電池的管理[3-5]。

目前很多電池管理系統(tǒng)外部電路很多，使得管理板電路復雜，并且功耗較高，不適應本管理板的設計需要。針對實際需求，本文利用OZ3705芯片集成均衡開關和高精度 12bitADC的特點，設計了一種結構簡單，功耗低且功能滿足要求的鋰電池管理板。

1 管理板功能架構

本電池管理板主要用于四串三元鋰電池的保護和管理，通過管理板使得電池組能夠安全、穩(wěn)定、方便的使用。管理板主要的功能有：

1）電量指示功能和低壓報警功能。電池組在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和擱置狀態(tài)都具有電量指示和低壓報警功能。電量指示分為5格，充電時相應電量指示燈會閃亮，低于當前電量的指示燈長亮。在放電狀態(tài)和擱置狀態(tài)時，按下電量顯示開關，對應的電量指示燈就會亮起一定時間。當電池電壓低于一格電時，進入報警狀態(tài)，接入充電器開始充電后報警解除。

2）低壓保護功能：當電池組電壓低于設定電壓時，電池組不能充放電。

3）高溫保護功能：當檢測到溫度高于設定溫度時，電池組會停止輸出，按鍵或切換負載會重新輸出。

4）短路保護功能：當電池短路時電池組保護無輸出，短路解除后恢復。

5）充放電過流保護功能：當充電或放電電流過大時，電池組保護，充電會停止，切換負載或按鍵恢復。

6）充電過壓保護功能：當電池組中某個電芯電壓大于設定電壓時，電池組會過壓保護，充電就會停止。

7）放電欠壓保護功能：當電池組放電至某個電芯電壓低于設定電壓時，電池組會停止放電。電池組接入充電，保護狀態(tài)解除。

8）充電均衡功能：在充電時當任意兩個電芯的電壓差值超過設定值時，電池會通過電阻放電進行均衡減小電壓差值。

2 管理板硬件設計

電池管理版主要由控制IC、電壓檢測電路、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC等組成。其中控制IC在電池包的狀態(tài)正常時控制 MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立即控制 MOS管開關關斷，保護電芯的安全。通常情況下MOS開關有2個，一個控制充電一個控制放電。

本管理板的設計中采用一顆前端電池管理芯片和單片機結合的方式對整組電池進行管理。前端IC主要采集電芯的電壓，電池包的溫度和回路電流，MCU通過I2C通訊獲得前端IC采集到的電池狀態(tài)，采取相應的動作控制充放電 MOS管的導通與關斷實現(xiàn)對充放電的控制。

3 硬件電路設計

3.1 電池管理芯片的選型

在本管理板的設計中，對于電量指示的要求很高，每格電量顯示準確度必須滿足誤差小于5%，而且要求管理板的靜態(tài)功耗小于30 μA。為了滿足這些要求，并且考慮到簡化電路和成本的問題，在管理板的設計中前端電池管理芯片采用了美國凹凸電子公司的OZ3705。

OZ3705內部集成了高精度AD采樣，是一個能夠支持 3-5串鋰電池的數(shù)字前端電池管理芯片。OZ3705過內部集成的高精度12bitADC，能夠準確測量電池包中每個電芯的電壓，同時也可以采集電池包的電流、溫度，并通過I2C通訊傳送給MCU，通過利用采集到的信息MCU就能做出相應的動作來保護電池。OZ3705集成一個3.3 V的差分線性穩(wěn)壓器，最大可輸出3mA的電流。休眠時靜態(tài)功耗小于15μA。同時集成均衡開關，斷線檢測，極大地簡化了電池管理方案的設計。同時芯片還集成了過流和短路檢測等功能，使得管理板在過流和短路時能夠迅速的動作，縮短了管理板的響應時間，從而提高了電池的安全性。

3.2 硬件電路的設計

管理板由前端管理芯片和附屬電路，MCU和功能電路組成，其硬件結構框圖如圖 1。由于前端管理芯片集成均衡開關和溫度保護，只需要很少的外圍電路就可以實現(xiàn)溫度保護和電流均衡的目的。前端芯片采集電池的電壓、電流和溫度，然后通過I2C通訊傳給MCU。根據(jù)實際功能要求，MCU就可以控制充放電MOS實現(xiàn)溫度保護。通過控制前端芯片開啟均衡開關，實現(xiàn)均流。

由于管理板充放電同端，因此必須要求負載檢測電路用來分辨負載類型。在設計電路時把充電器和負載都認為是負載，然后根據(jù)采樣電阻檢測到的電流方向來判斷處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，電流采樣通過前端芯片的電流采樣通道實現(xiàn)。MCU根據(jù)前端芯片傳遞的信息控制前端芯片均衡電路和溫度保護電路的動作，并控制蜂鳴器電路、按鍵電路、MOS管控制電路和LED指示電路。為了增加溫度保護的可靠性，MCU也可以通過溫度傳感器檢測電池包的溫度，實現(xiàn)雙重保護。

4 軟件設計

在實際工作中電池有三種工作狀態(tài)，即待機、充電和放電狀態(tài)。在待機狀態(tài)，MCU休眠，此時電池處于低功耗狀態(tài)，充放電MOS管關閉。MCU被喚醒有三種情況，按鍵、接負載和接充電器。在待機和放電狀態(tài)，可以通過按鍵顯示電量。當電池組接入負載，MCU就會檢測是否有電流流入，從而判斷是否進入充電狀態(tài)，否則進入放電狀態(tài)。因此，在程序設計時，根據(jù)功能需要設計了三個中斷點，即負載檢測中斷、按鍵中斷和定時器中斷。

在充電狀態(tài)，MCU根據(jù)前端芯片傳遞的信息，使充電 MOS常開，并顯示電量，直至充滿后進入休眠。如果檢測到過壓、過流、短路、過溫等情況時會關閉充電 MOS停止充電并采取相應的報警提示，然后進入休眠狀態(tài)。在放電狀態(tài)，程序運行過程和充電過程時一樣，只是對于電壓管理的參數(shù)設定不一樣。充電設定過壓，放電設定低壓和欠壓。MCU程序執(zhí)行按照順序邏輯實現(xiàn)，軟件工作流程圖如圖2。

在具體實現(xiàn)的過程中，前端芯片實時監(jiān)測電池的電壓、電流和溫度狀態(tài)，然后通過I2C通訊傳遞給MCU，MCU根據(jù)電池的狀態(tài)按照程序設定的流程和參數(shù)做出相應的處理，通過對管理板上相應電路的控制實現(xiàn)對電池的控制，從而達到保護電池的目的。

圖1 管理板硬件設計框圖

5 結語

本文基于電池管理芯片 OZ3705，設計了一個由于四串鋰電池的管理板，經過實際測試，管理板完全滿足各項設計要求。并且，該管理板硬件結構簡單，利用很小的尺寸完成很多的功能。由于大部分的功能使用軟件實現(xiàn)，本管理板能夠根據(jù)實際的需要調整管理板的功能，使得保護板的應用范圍更廣。由于使用了OZ3705芯片，管理板具有很低的功耗，電池的容量利用率變得更高。

圖2 軟件工作流程圖

[1] 何夏. 電動自行車鋰電池組均衡充放電保護板的開發(fā)設計[D]. 廣西大學, 2013.

[2] 夏鯤, 季諾, 曹斯佳. 一種鋰電池組均衡充電保護板設計[J]. 電氣傳動, 2010, 40(12): 68-72.

[3] 盛寶棟. 鋰電池管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D]. 山東大學, 2013.

[4] 唐濤. 鋰離子電池組管理系統(tǒng)的設計[D]. 安徽大學, 2015.

[5] 王保柱, 王倩, 陳書旺，等. 基于 MAX11068芯片的鋰離子電池管理系統(tǒng)的設計[J]. 河北科技大學學報, 2013, 40(5): 440-445.

OZ3705-base Design of the Batteries Management System

Li Wei, Zhao Sheng, Xu Jing, Nie Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

According to actual needs of a lithium battery pack, a battery management board with OZ3705 is presents. The chip selection, hardware design and software design of battery management board are introduced in detail in this paper. The practical results show that the circuit is simple in structure and low in power consumption. with various function of the board to realize by software, the board is easy to improvement.

OZ3705; battery management board; lower power consumption

TP274

A< class="emphasis_bold">文章編號：1

1003-4862（2017）02-0071-03

2016-08-01

李圍（1988-），男，研究生。研究方向：控制理論與控制工程。E-mail: liweiwuda0911@126.com