基于可編程邏輯的便攜式設備多節(jié)鋰聚合物電池管理

2 平衡充電
平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式，但是很多小功率的應用中實際是沒有平衡充電的，如大多數(shù)的筆記本電腦電池組，這樣做實際上對電池壽命的影響是相當大的。

現(xiàn)有的均衡技術主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問題就是控制起來很復雜。

現(xiàn)在很多專用芯片或者單片機解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩(wěn)壓二極管上的耗能太大，造成的發(fā)熱量是不能忍受的。

圖4 實際充電方式圖

實際使用的充電方式如圖4所示，當然，這只是一個示意圖，不包括電流檢測電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測電路（變壓器次級繞組）。其中，開關陣列是用功率MOSFET實現(xiàn)。

這種做法，管子都工作在開關狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復雜，由于要匹配每個電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離，因為開關頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。

整個充電電路工作在開關狀態(tài)，不再添加任何的控制模塊，由FPGA直接控制場效應管，電流檢測和電壓檢測電路的輸出也轉化為開關量直接傳給FPGA。
充電分為四個步驟：
a) 檢測是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V；
b) 打開J1和J8，對整體進行大電流充電，同時測量電池單體的電壓，如果有電池單體達到4.2V，進入下個步驟；
c) 逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比5%；
d) 對未到4.2V的電池進行輪流充電，當占空比均下降到5%時，充電結束。
這里需要說明的是，a)和d)步驟中輪流充電是通過開關矩陣實現(xiàn)的，并且輪流充電并不會延長充電時間，這是因為此時的占空比遠遠小于25%，可以在一個充電周期內分別給四個電池充電。

3 過流和低壓保護
為了保證電池組的絕對安全，電池組的過流和低壓保護是獨立設置的，當出現(xiàn)問題時可直接切斷電池組的輸出，這種類型的電路也非常普遍，這里不再贅述。
另外需要說明的是，控制系統(tǒng)里面也含有非易失存儲器和電池輸出探測電路，當探測到保護電路動作的時候，當前的信息將保存到非易失存儲器中，以供日后分析。

總結
多節(jié)鋰電池組成電池組是現(xiàn)在便攜式較大功率設備的必然選擇，如何管理和維護這個電池組使其高效長壽命地工作也是擺在電子設計師面前的任務。

本文提供了一個新思路，即采用簡單而精確的電路，將復雜的模擬量轉化為數(shù)字量，從而簡化外部電路的設計，把復雜的充電時序控制交給可編程邏輯來處理。這樣做不僅非常靈活，精度高，而且還降低了成本。