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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn),，一種是采用集成了模擬模塊的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。專用集成電路的方案存在以下缺點(diǎn)：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(shí)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)通信接口,，該方案具有通用、可擴(kuò)展,、易升級等特點(diǎn),。
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(yùn)算放大器,，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便實(shí)現(xiàn)多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能,，另外該系列MCU在設(shè)計(jì)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(diǎn),，可廣泛應(yīng)用到電力電子,、汽車控制、及軍工領(lǐng)域,可以實(shí)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(jì)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(shí),，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(gè)階段,，首先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值時(shí)改為恒壓充電,。因此MCU要不斷的監(jiān)測電池組電壓,，實(shí)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(shí)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(jì)
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,。
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(fù)極串聯(lián)一個(gè)20毫歐精密電阻，通過測量這個(gè)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(fù)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(yīng)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(hù)電路的設(shè)計(jì)
鋰離子電池充放電過程中需監(jiān)測每節(jié)電池的電壓。因?yàn)樵谕浑娏鞒浞烹娭写?lián)的4節(jié)電池的電壓升降可能不會完全相同,，這將會導(dǎo)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(shí)刻一致,。在本方案中,，利用MCU的I/O口來控制運(yùn)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(hù)開關(guān)的設(shè)計(jì)
保護(hù)開關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護(hù)開關(guān),，MOS管選擇為IRF4905。IRF4905S導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)
對于需要連續(xù)供電的器件應(yīng)選擇較低漏電流的器件。穩(wěn)壓電源選擇TPS71533,，運(yùn)算放大器選擇低功耗運(yùn)放,。測量電路設(shè)計(jì)了開啟和關(guān)閉的開關(guān)，在不需測量的狀態(tài)下,，采樣電路關(guān)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(shí)，MCU工作在Run模式和Wait模式下,，其余時(shí)間工作在STOP模式下,，MCU工作在STOP模式時(shí)，要關(guān)閉電壓測量,、溫度測量電路以降低電池能耗,。從Stop模式進(jìn)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(dāng)顯示按鍵按下時(shí),，CPU即由Stop模式進(jìn)入Run模式,；當(dāng)有電流流過采樣電阻時(shí)，CPU由Stop模式進(jìn)入Run模式,。Run模式下,，10分鐘內(nèi)沒有事件發(fā)生，MCU自動進(jìn)入Stop模式,。
4系統(tǒng)功能方案及軟件設(shè)計(jì)
4.1功能方案
4.1.1電池保護(hù)管理
智能電池管理電路在電池的使用過程中,，實(shí)時(shí)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(jì)算,，對鋰離子電池實(shí)現(xiàn)下列保護(hù)：
(1)充電時(shí),，當(dāng)總?cè)萘砍^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(jī)提供告警信息,，并自動切斷充電輸入。另外當(dāng)有一個(gè)單體電池電壓超過4.25V,，向智能化充電機(jī)發(fā)出告警信息,，并能自動切斷充電輸入。
?。?）放電時(shí),，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(dāng)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(shí)(單體電池電壓≤2.5V),，智能電池發(fā)出告警信息并關(guān)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(hù)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(jì)算、供電時(shí)間預(yù)測的重要的修正參數(shù),。
智能電池采用多點(diǎn)測溫對電池進(jìn)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：
（1）充電過程中2個(gè)測溫點(diǎn)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(shè)備讀取的電池溫度為所有測溫點(diǎn)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(shí)有一個(gè)測溫點(diǎn)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(yàn)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。
4.1.3容量的計(jì)算的方法
容量計(jì)算的基礎(chǔ)是測量的電流對時(shí)間的積分,計(jì)算公式為：
Q=∫i dt
由于68HC908單片機(jī)內(nèi)部的ADC采用了∑—⊿方式,，轉(zhuǎn)換速度很快,，以累加的方式可以實(shí)現(xiàn)精度較高容量計(jì)算。
4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
智能電池管理系統(tǒng)軟件是被寫入到68HC908的FLASH 中,，經(jīng)過電路處理電池的電流,、電壓、溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù),，根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合電池的特性,，完成系統(tǒng)功能方案指定的功能并且可以向與智能電池和電臺提供相關(guān)電池的信息,。軟件的硬件平臺是68HC908單片機(jī)，軟件的開發(fā)平臺為68HC908集成開發(fā)環(huán)境,。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：
另外,，智能電池提供統(tǒng)一的智能接口，這些智能的接口可以通過SMBus1.1協(xié)議進(jìn)行訪問,。智能充電機(jī),、用電器可以采用相同的總線技術(shù)按照SMBus1.1規(guī)范的協(xié)議簡單、方便地訪問這些接口,。智能電池提供的這些接口能滿足用電器及充電機(jī)向系統(tǒng)化,、統(tǒng)一化、智能化方向發(fā)展要求,。用電器,、充電機(jī)通過讀取這些信息可以知道智能電池制造、使用的全過程信息及電池當(dāng)前使用的狀況,。
5結(jié)束語
本文給出了一套智能電池管理系統(tǒng)開發(fā)方案,，闡明了管理系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方法。采用低功耗的設(shè)計(jì)思想,，確保電路的自耗電滿足電池存儲的需求,。充分利用68HC908系列單片機(jī)豐富的對外接口控制功能，利用SMBus總線為用電器和智能化充電機(jī)隨時(shí)提供所需的各種信息,。本系統(tǒng)方便了用戶,，減少了操作，實(shí)現(xiàn)了智能化,、一體化設(shè)計(jì),。