淺談智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/174972.htm現(xiàn)代的移動通信設(shè)備越來越重視移動設(shè)備電源問題。移動電源的核心問題是可充電電池的管理問題,由于電池的管理與電池的化學(xué)特性密切相關(guān),不同種類的電池具有不同的充電和使用特性,即使相同種類電池,由于采用電池材料特性不同,對充電和使用要求也不相同,因此使電池自己實現(xiàn)智能管理是電池用戶的迫切要求。為解決電池的使用問題實現(xiàn)電池的“即插即用”,智能電池開始得到廣泛應(yīng)用,國際上一些著名的電池公司均開發(fā)了針對自己電池特性的智能電池體系。
目前電池實現(xiàn)智能化的途徑有兩種,一種是采用一些專用的集成電路來實現(xiàn),一種是采用集成了模擬模塊的單片機(jī)來實現(xiàn)。專用集成電路的方案存在以下缺點:只針對一種電池和一類電池的特性,電氣接口和制式不統(tǒng)一,有的專用集成電路已跟不上電池技術(shù)的發(fā)展。本文采用的是單片機(jī)方案,實現(xiàn)對采用鋰鈷材料體系生產(chǎn)的18650電池的智能化管理,同時考慮未來電池技術(shù)的發(fā)展,并借鑒了智能電池技術(shù)成熟應(yīng)用,選用了SMBus1.1做為智能電池數(shù)據(jù)通信接口,該方案具有通用、可擴(kuò)展、易升級等特點。
2 系統(tǒng)構(gòu)成及其主要功能
系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)采用Motorola68HC908單片微處理器(簡稱MCU)對4節(jié)串聯(lián)的18650型鋰離子電池進(jìn)行統(tǒng)一管理。該MCU具有12K閃速內(nèi)存貯器,可在線擦寫10萬次。具有14路A/D 10位的信號采集口,兩路增益可編程運算放大器,具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式,可以方便實現(xiàn)多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能,另外該系列MCU在設(shè)計上具有完善的電磁兼容防護(hù)措施,具有抗干擾能力強,可靠性高的特點,可廣泛應(yīng)用到電力電子、汽車控制、及軍工領(lǐng)域,可以實現(xiàn)對鎳氫電池、鎘鎳電池、鋰離子電池的智能控制,滿足智能化電池的設(shè)計使用需求。在本方案中,通過MCU與電池組互連的方式使智能電池主要具有以下功能:
供電功能
當(dāng)智能電池與用電器對接時,將自動喚醒MCU控制電池給用電器供電。另外也可與智能化充電機(jī)、手搖發(fā)電機(jī)一起為用電器浮充供電。
充電功能
通過智能充電器給智能電池充電,它們通過SMBus總線互連進(jìn)行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個階段,首先進(jìn)行恒流充電,當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值時改為恒壓充電。因此MCU要不斷的監(jiān)測電池組電壓,實現(xiàn)對充電電壓的控制。
通信功能
電池與用電器、智能化充電機(jī)能夠相互傳送各自所需的固定信息、動態(tài)信息及告警信息。其中固定信息包括:電池廠商信息(生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批號)、電池的化學(xué)成份、額定電壓、額定容量、規(guī)范信息、名稱等信息。動態(tài)信息包括:剩余容量、滿充容量、電池模式、溫度、溫升、充電電壓、充電電流、循環(huán)次數(shù)、剩余工作時間、電池狀態(tài)(告警)等信息。
另外智能電池還具有剩余容量LED顯示、自動保護(hù)等功能。
3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1信號的采集
在本系統(tǒng)中,MCU采集的信號有電壓信號、電流信號和溫度信號。采集的方法如下:
電壓測量
電壓的測量采用電阻分壓取樣測量電壓,通過測量分壓電阻的電壓值來測量電池組端電壓,電阻分壓比1:7, 電阻精度:±0.5%。其中分壓電組的電壓值采樣通過MCU內(nèi)部10Bit ADC 完成。
電流測量
電流的測量采用精密電流采樣電阻測量電流。在電池組的負(fù)極串聯(lián)一個20毫歐精密電阻,通過測量這個電阻的電壓降來測量工作電流,電阻精度為0.5%。精密電阻兩端電壓的測量也是通過MCU內(nèi)置的ADC采樣完成。
溫度測量
溫度的測量采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻測量溫度,通過測量熱敏電阻的阻值來測量電池溫度,熱敏電阻阻值精度為1%。熱敏電阻應(yīng)緊貼電池表面,每兩只電池共用一只熱敏電阻。
3.2均衡保護(hù)電路的設(shè)計
鋰離子電池充放電過程中需監(jiān)測每節(jié)電池的電壓。因為在同一電流充放電中串聯(lián)的4節(jié)電池的電壓升降可能不會完全相同,這將會導(dǎo)致某一電池的過沖或過放,因此要增加電池均衡電路,使4節(jié)串聯(lián)的電池電壓大小在一定誤差范圍內(nèi)保持時刻一致。在本方案中,利用MCU的I/O口來控制運算放大器,使電壓變化較快的電池通過三極管短暫充放電來完成。
3.3保護(hù)開關(guān)的設(shè)計
保護(hù)開關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護(hù)開關(guān),MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導(dǎo)通電阻為5毫歐,電流為60 A。通過MCU的I/O口來控制MOS管的導(dǎo)通和截止。由于I/O口的功率有限,因此本系統(tǒng)中在I/O口和MOS管中增加了三極管驅(qū)動電路。
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