智能化鋰離子電池管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　電流測量

　　電流的測量采用精密電流采樣電阻測量電流。在電池組的負極串聯(lián)一個20毫歐精密電阻，通過測量這個電阻的電壓降來測量工作電流，電阻精度為0.5%。精密電阻兩端電壓的測量也是通過MCU內(nèi)置的ADC采樣完成。

　　溫度測量

　　溫度的測量采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻測量溫度，通過測量熱敏電阻的阻值來測量電池溫度，熱敏電阻阻值精度為1%。熱敏電阻應緊貼電池表面，每兩只電池共用一只熱敏電阻。

　　3.2均衡保護電路的設計

　　鋰離子電池充放電過程中需監(jiān)測每節(jié)電池的電壓。因為在同一電流充放電中串聯(lián)的4節(jié)電池的電壓升降可能不會完全相同，這將會導致某一電池的過沖或過放，因此要增加電池均衡電路，使4節(jié)串聯(lián)的電池電壓大小在一定誤差范圍內(nèi)保持時刻一致。在本方案中，利用MCU的I/O口來控制運算放大器，使電壓變化較快的電池通過三極管短暫充放電來完成。

　　3.3保護開關的設計

　　保護開關選擇功率MOS管作為充電和放電保護開關，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導通電阻為5毫歐，電流為60 A。通過MCU的I/O口來控制MOS管的導通和截止。由于I/O口的功率有限，因此本系統(tǒng)中在I/O口和MOS管中增加了三極管驅(qū)動電路。

　　3.4系統(tǒng)低功耗設計

　　對于需要連續(xù)供電的器件應選擇較低漏電流的器件。穩(wěn)壓電源選擇TPS71533，運算放大器選擇低功耗運放。測量電路設計了開啟和關閉的開關，在不需測量的狀態(tài)下，采樣電路關閉，以減少電能的損耗。在控制上選用低功耗控制策略。智能電池在充電過程、給用電器供電、顯示按鍵按下時，MCU工作在Run模式和Wait模式下，其余時間工作在STOP模式下，MCU工作在STOP模式時，要關閉電壓測量、溫度測量電路以降低電池能耗。從Stop模式進入Run模式，需外界條件喚醒。喚醒方式采用顯示按鍵喚醒方式、電流喚醒的方式。當顯示按鍵按下時，CPU即由Stop模式進入Run模式；當有電流流過采樣電阻時，CPU由Stop模式進入Run模式。Run模式下，10分鐘內(nèi)沒有事件發(fā)生，MCU自動進入Stop模式。

4系統(tǒng)功能方案及軟件設計

　　4.1功能方案

　　4.1.1電池保護管理

　　智能電池管理電路在電池的使用過程中，實時監(jiān)控電池的電流、電壓、溫度、容量。智能電池管理系統(tǒng)通過計算，對鋰離子電池實現(xiàn)下列保護：

　　(1)充電時，當總容量超過電池規(guī)定的最大容量，充電過程中溫升大于3℃/2min，充電溫度≤ -20℃、≥+55℃，向智能化充電機提供告警信息，并自動切斷充電輸入。另外當有一個單體電池電壓超過4.25V，向智能化充電機發(fā)出告警信息，并能自動切斷充電輸入。

　?。?）放電時，智能管理電路通過對電壓、電流測量及上次充電過程數(shù)據(jù)記錄，防止電池過放電損壞。當智能管理電路發(fā)現(xiàn)電池繼續(xù)放電會造成過度放電時(單體電池電壓≤2.5V)，智能電池發(fā)出告警信息并關閉放電輸出。

　　4.1.2溫度管理

　　溫度、溫升對電池的影響是不能忽視的。在使用過程中異常的溫升需特別對待，特別是充電過程中大于3℃/2min的異常溫升需要采取保護措施。另外溫度對電池的剩余容量有顯著的影響，溫度是剩余容量計算、供電時間預測的重要的修正參數(shù)。

　　智能電池采用多點測溫對電池進行溫度管理，識別電池組溫度，單體電池的異常溫升，環(huán)境溫度巨變。智能電池按以下規(guī)則識別：

　?。?）充電過程中2個測溫點溫度值相差不到2℃，連續(xù)的溫度變化率相差不超過2℃，判別為電池組溫度。其它智能設備讀取的電池溫度為所有測溫點的平均值。

　?。?）充電過程中在電池充電容量加上起始剩余容量之和大于70%額定容量時有一個測溫點的溫度變化率超過3℃/2min，判別為充電異常溫升。

　?。?）智能電池被充電喚醒后電池組溫度（平均溫度）變化率超過3℃/2min需試驗確定，判別為環(huán)境溫度巨變。

　　智能電池在充電的過程中，環(huán)境溫度在低于電池溫度-20℃情況下電池組不允許充電，-20℃~+10℃ 不允許大電流充電，+10℃~+55℃允許大電流充電，在+75℃以上不允許充電。