超低功耗的锂电池管理系统设计 1

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超低功耗的锂电池管理系统设计 1

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为了满足某微功耗仪表的应用，提高安全性能，提出了一种超低功耗锂电池管理系统的设计方案。该方案采用双向高端微电流检测电路，结合开路电压和电荷积分算法实现电量检测。采用纽扣电池代 替DC/DC降压电路最大程度降低功耗。系统实现了基本保护、剩余电量检测、故障记录等功能。该锂电池管理系统在仪表上进行验证，结果表明具有良好的稳定性和可靠性，平均工作电流仅145μA。 1 Y6 M# G# F( k1 n8 ?1 t9 B 9 ]( `; Q- X8 g/ ]9 y8 X0 P2 E随着电子技术的快速发展，仪器仪表的应用领域不断拓宽，电池供电成为了重要的选择。电池管理系统是电池使用安全性的有效保障。目前的电池管理系统大多为大容量电池组、短续航时间的应用而设计，这种管理系统服务的设备功耗大，电池的循环时间短，管理系统自身的功耗也不低，不适合在低功耗仪表场上使用。某燃气远程监控仪表，平均系统电流仅为几毫安，要求在低温下连续运行6个月以上，为了满足该工程的应用，本文介绍了一种低温智能锂电池管理系统的设计方案，对20Ah 4串8并的32节单体电芯进行管理。具有基本保护、电量计量、充电均衡和故障记录功能。实验验证该系统各项功能性能良好，达到了设计要求。 : v! D; p- ~* E5 o* R 1 系统的总体结构   I6 k( ^1 x1 w7 o* H4 a低温锂电池管理系统主要由基本保护电路、电量计、均衡电路、二级保护等几个部分组成，如图1所示。 ; o0 r1 X1 `* [6 u: X ( e, y: D8 [8 `' C3 b' T2 n, D 图1 低温锂电池管理系统结构 基于低功耗的考虑，设计中采用了许多低功耗器件，如处理器采用MSP430FG439低功耗单片机;电压基准采用REF3325，该基准电源的功耗极低仅3.9μA;运放用了工作电流仅1.5μA的LT1495;数字电位器采用了静态电流低至50nA的AD5165等。对工作电流较大的间歇性工作电路增加了电源管理电路，以降低能耗。 低温电池组的额定电压为14.8V，由4组电芯串联而成，每组电芯包含8节单体电 芯，正常的工作电压为2.5~4.2V。每个采集周期采集各组电芯的电压，处理器根据电压大小给保护执行电路发出指令，执行相应的保护动作。均衡电路用单片机和三极管实现，代替了均衡专用芯片。系统会把电压电流和温度的最值、电池已使用的时间、剩余电量和其他异常信息记录在存储设备内。处理器提供了TTL通信接口，现场的计算机可以通过一个TTLRS232转换模块读取存储设备中的日志。充电过程中为了防止mcu死机等异常而出现保护失效。增加了二级保护电路，若电压超出预设值，将会启动二级保护电路，熔断三端保险丝，阻止事故的发生。 " }# n" h' i3 z" t* I& l 2 硬件设计   h' M% _" p" }1 [1 `7 y' m6 k; p# G ; E" d+ h; x0 p5 B2.1 保护执行电路 保护执行电路是保护动作的执行机构，CH 是充电控制开关，DISCH是放电控制开关，通过控制CH和DISCH做出相应的保护动作，电路图如图2所示。 . R7 Q; q9 r5 N 1 a, j1 ?8 n% e9 S图2 保护执行电路 + j0 e6 d( i& E# `8 M" |" ^CH和DISCH在正常工作时置为低电平，此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态，DISCH 置为高电平，此时Q2断开，Q3导通，将M2栅极电容的电荷迅速放电，使M2能瞬间关闭，完成保护。当出现充电过流或者过充电状态，将CH置为高电平，关闭M1。电路中MOSFET选用了IRF4310，该MOSFET导通电阻仅为7kΩ，通流能力可达140A。 2.2 均衡电路和二级保护 图3(a)给出了某组电芯充电均衡电路的示意图，充电均衡电路由4个该种单元串联而成。由单片机采集ADV端电压，可得到该组电芯电压。充电过程中若电压超过4.2V，单片机控制脚BLA置为高电平，此时该组电芯被短路，充电电流流经R4给其他组电芯充电，由此保证各组电芯电量在充电完成后具有较好的一致性。 二级保护是不可逆的，只有在非常危急的情况下才会启动，电路如图3(b)所示。BQ29411是一款静态电流仅2μA的二级保护芯片。任意一组电芯电压超过4.4V，OUT将输出高电平，三端保险丝F3开始加热，当温度超过139℃时保险丝就会熔 断。 0 R1 f1 ^* F" q1 _3 \& T% ? 图3 充电均衡和二级保护电路 3 双向高端微电流检测电路 0 V/ {9 o* P7 i8 v( S2 U在单电源供电的微小信号检测应用中，由于采样电压很小，常受制于运放的供电轨而难以完成对小信号的检测。本设计中采用了电流高端检测电路，可以摆脱单电源供电对小信号检测的限制。高端检测电路采用了凌特公司LT1495超低功耗运放，电路示意图见图4。 图4 电流检测电路 + w7 K( y- k6 o) Z- C 8 Y4 z; Y! ]3 Z0 {' q此电路可以实现对双向小电流的采样放大及判定电流的方向。R9为采样电阻，考虑到短路时电流较大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值设为25mΩ。当电池处于放电状态，假定电流源、R9和LOAD组成的环路电流方向为顺时针，此时DIR1为低电平，DIR2为高电平，M1截止，M2导通。流过R4的电流IR4=R9×IR9/R4，R5输出端的电压信号为VCUR=R9×IR9×R5/R4。当电池处于充电状态时，回路电流为逆时针方向，此时由运放U1完成对电流信号的放大，DIR1 为高电平，DIR2为低电平。当电池处于闲置状态回路无电流时，DIR1和DIR2均为低电平。通过DIR1和DIR2的逻辑状态可以判定锂电池处于放电、充电或者是闲置状态。 " d7 s% s7 F1 I- g' M+ m 4 电源设计 ) O; e3 D, K( h% l) M电源设计采用了纽扣电池给系统供电的设计方案，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降压芯片的损耗功耗，电路示意图如图5所示。 ' K$ p: x/ f, q+ u5 @- ]0 c4 e图5 数字电源示意图

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