超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計

　　為了滿足某微功耗儀表的應(yīng)用，提高安全性能，提出了一種超低功耗鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用雙向高端微電流檢測電路，結(jié)合開路電壓和電荷積分算法實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)在儀表上進行驗證，結(jié)果表明具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，平均工作電流僅145μA。

　　隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，電池供電成為了重要的選擇。電池管理系統(tǒng)是電池使用安全性的有效保障。目前的電池管理系統(tǒng)大多為大容量電池組、短續(xù)航時間的應(yīng)用而設(shè)計，這種管理系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備功耗大，電池的循環(huán)時間短，管理系統(tǒng)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(jiān)控儀表，平均系統(tǒng)電流僅為幾毫安，要求在低溫下連續(xù)運行6個月以上，為了滿足該工程的應(yīng)用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，對20Ah 4串8并的32節(jié)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(tǒng)各項功能性能良好，達到了設(shè)計要求。

　　1. 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　低溫鋰電池管理系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于低功耗的考慮，設(shè)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(zhǔn)采用REF3325,該基準(zhǔn)電源的功耗極低僅3.9μA;運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數(shù)字電位器采用了靜態(tài)電流低至50nA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14.8V,由4組電芯串聯(lián)而成，每組電芯包含8節(jié)單體電 芯，正常的工作電壓為2.5~4.2V。每個采集周期采集各組電芯的電壓，處理器根據(jù)電壓大小給保護執(zhí)行電路發(fā)出指令，執(zhí)行相應(yīng)的保護動作。均衡電路用單片機和三極管實現(xiàn)，代替了均衡專用芯片。系統(tǒng)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(shè)備內(nèi)。處理器提供了TTL通信接口，現(xiàn)場的計算機可以通過一個TTLRS232轉(zhuǎn)換模塊讀取存儲設(shè)備中的日志。充電過程中為了防止MCU死機等異常而出現(xiàn)保護失效。增加了二級保護電路，若電壓超出預(yù)設(shè)值，將會啟動二級保護電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發(fā)生。

　　2. 硬件設(shè)計

　　2.1 保護執(zhí)行電路

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

　　圖2 保護執(zhí)行電路

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

　　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(lián)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4.2V,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(jīng)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(tài)電流僅2μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V,OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱，當(dāng)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(yīng)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(shè)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