超低功耗的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　此電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設(shè)為25mΩ。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)，假定電流源、R9和LOAD組成的環(huán)路電流方向?yàn)轫槙r(shí)針，此時(shí)DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導(dǎo)通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4,R5輸出端的電壓信號(hào)為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，回路電流為逆時(shí)針方向，此時(shí)由運(yùn)放U1完成對(duì)電流信號(hào)的放大，DIR1 為高電平，DIR2為低電平。當(dāng)電池處于閑置狀態(tài)回路無電流時(shí)，DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態(tài)可以判定鋰電池處于放電、充電或者是閑置狀態(tài)。

　　4. 電源設(shè)計(jì)

　　電源設(shè)計(jì)采用了紐扣電池給系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)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(shù)字電源示意圖

　　圖中R為數(shù)字電位器，選用ADI公司的AD5165,它的調(diào)節(jié)范圍從0~100kΩ，靜態(tài)電流僅50nA.V1和V2為紐扣電池，選用日本精工的MS920SE,該型號(hào)支持最大800μA的最大電流放電。采集時(shí)間到來根據(jù)電池組電壓值CELL4+ 調(diào)整電位器的阻值，R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],閉合開關(guān)W1 和W2 并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓，說明紐扣電池電壓過低，則斷開W2并調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用適當(dāng)?shù)碾娏鲗?duì)紐扣電池進(jìn)行充電。下一個(gè)采集周期到來重新調(diào)整數(shù)字電位器R,閉合W1和W2并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量是否充滿，若D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓，說明紐扣電池充滿，則斷開W1和W2。由此完成對(duì)紐扣電池的充電調(diào)節(jié)控制。3.3V數(shù)字電源經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成模擬電源。

　　5. 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(tài)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(tài)檢測和異常處理模塊的軟件流程圖，如圖6所示。

　　系統(tǒng)每次采集完電池組的各項(xiàng)信息后會(huì)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(chǔ)設(shè)備中。每次的異常狀況也都會(huì)記錄保存，現(xiàn)場的PC可以通過串口讀取存儲(chǔ)設(shè)備中的日志，查看異 常信息。

　　圖6 電池組狀態(tài)檢測和控制軟件流程圖

　　SOC估算采用了開路電壓和安時(shí) 積分相結(jié)合的估算方法，對(duì)SOC估算精度的影響因素眾多，溫度、放電電流、循環(huán)次數(shù)等都會(huì)帶來誤差，有一種SOC估算公式：

　　其中：SOC為當(dāng)前的電量，SOC0為初始狀態(tài)的電荷量，C為電池的容量，K為修正系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值。I為測得的瞬時(shí)電流，充電為負(fù)值，放電為正值。為了得到精確的SOC估算值，需要在運(yùn)用安時(shí)積分法時(shí)定期或不定期地對(duì)于SOC0進(jìn)行修正。

　　某燃?xì)鈨x表的工作電流較為平穩(wěn)，功率P=U×I為一固定值，由公式可知隨著電池電壓的降低，儀表的工作電流增大。鑒于電池電壓變化緩慢，本方案中電流采樣電路設(shè)置為每隔5min采樣一次，以達(dá)到降低功耗的目的。將第n次采樣電流in視為該次采樣周期內(nèi)的平均電流，由此可得

　　鋰電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)目前的工作電流與SOC情況估算出剩余的續(xù)航時(shí)間。

　　結(jié)語

　　有些低功耗的儀表對(duì)電池的續(xù)航時(shí)間有特殊的要求，本設(shè)計(jì)針對(duì)續(xù)航時(shí)間較長的應(yīng)用需求，通過硬件和軟件低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低功耗儀表的鋰電池管理系統(tǒng)，可以完成對(duì)4串8并32節(jié)低溫鋰電池組的管理功能。經(jīng)某燃?xì)膺h(yuǎn)程監(jiān)控儀表運(yùn)行試驗(yàn)，鋰電池管理系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能良好，工作電流僅為145μA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的鋰電池智能管理系統(tǒng)。