超低功耗的锂电池管理系统设计

Taio · 发表于 2019-8-1 11:04

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超低功耗的锂电池管理系统设计

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。
　　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。
　　1. 系统的总体结构
　　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。

　　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。
　　2. 硬件设计
　　2.1 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。

　　图2 保护执行电路

　　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。

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
　　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

　　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。
　　4. 电源设计
　　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。

　　图5 数字电源示意图

　　图中R为数字电位器，选用ADI公司的AD5165，它的调节范围从0~100kΩ，静态电流仅 50nA.V1和V2为纽扣电池，选用日本精工的MS920SE，该型号支持最大800μA的最大电流放电。采集时间到来根据电池组电压值CELL4+ 调整电位器的阻值，R= （R1+ R2）［（CELL4+）-3.6V）］，闭合开关W1 和W2 并采集POW_DET的电压，由此来判定纽扣电池的电量。若D1阳极电压值小于充电阈值电压，说明纽扣电池电压过低，则断开W2并调节数字电位器用适当的电流对纽扣电池进行充电。下一个采集周期到来重新调整数字电位器R，闭合W1和W2并采集POW_DET的电压，由此来判定纽扣电池的电量是否充满，若 D1阳极电压大于充电完成阈值电压，说明纽扣电池充满，则断开W1和W2。由此完成对纽扣电池的充电调节控制。3.3V数字电源经LC滤波转换成模拟电源。
　　5. 软件设计
　　软件采用模块化设计，主要包含了初始化模块、纽扣电池电量检测和控制模块、电池组状态检测和异常处理模块、电量估算模块4部分。文中给出了电池组状态检测和异常处理模块的软件流程图，如图6所示。
　　系统每次采集完电池组的各项信息后会将本次的测量值和历史记录值比较，若判定本次测量值为最大或者最小值，则将该值覆盖历史值，并保存在存储设备中。每次的异常状况也都会记录保存，现场的PC可以通过串口读取存储设备中的日志，查看异常信息。

　　图6 电池组状态检测和控制软件流程图

　　SOC估算采用了开路电压和安时积分相结合的估算方法，对SOC估算精度的影响因素众多，温度、放电电流、循环次数等都会带来误差，有一种SOC估算公式：
　　

　　其中：SOC为当前的电量，SOC0为初始状态的电荷量，C为电池的容量，K为修正系数，为经验值。I为测得的瞬时电流，充电为负值，放电为正值。为了得到精确的SOC估算值，需要在运用安时积分法时定期或不定期地对于SOC0进行修正。
　　某燃气仪表的工作电流较为平稳，功率P=U×I为一固定值，由公式可知随着电池电压的降低，仪表的工作电流增大。鉴于电池电压变化缓慢，本方案中电流采样电路设置为每隔5min采样一次，以达到降低功耗的目的。将第n次采样电流in视为该次采样周期内的平均电流，由此可得
　　

　　锂电池管理系统可以根据目前的工作电流与SOC情况估算出剩余的续航时间。
　　结语
　　有些低功耗的仪表对电池的续航时间有特殊的要求，本设计针对续航时间较长的应用需求，通过硬件和软件低功耗技术设计了一种应用于低功耗仪表的锂电池管理系统，可以完成对4串8并32节低温锂电池组的管理功能。经某燃气远程监控仪表运行试验，锂电池管理系统各项功能性能良好，工作电流仅为145μA，远远低于现有的锂电池智能管理系统。