智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

　　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(qiáng)，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。