本文介紹了一種構(gòu)成Smart Battery的基于X3100芯片的多串鋰電池管理系統(tǒng)。著重闡述了該系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)完成對(duì)各種參數(shù)的測(cè)量、管理和自動(dòng)保護(hù)，完成幾十種命令參數(shù)的計(jì)算，并通過SMBus總線同HOST等交換。實(shí)際使用證明本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能完善、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，可用于筆記本電腦、電動(dòng)自行車及其他便攜儀器的智能電池模塊中。

電池管理的重要性已經(jīng)不言而喻。越來越多的產(chǎn)品正向便攜的方向發(fā)展，使用戶獲得空前的獨(dú)立。幾十年前，無繩電話最先為我們提供了在家中漫步的自由。而現(xiàn)在，便攜式可充電產(chǎn)品使我們?cè)谥苡问澜绲耐瑫r(shí)，還能與家人保持聯(lián)系。越來越多的產(chǎn)品使用充電電池，而隨著產(chǎn)品體積的縮小，這些產(chǎn)品的復(fù)雜程度也在不斷提高。充電電池本身也在發(fā)生變化。電池制造商努力推出適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)的新產(chǎn)品。電池電壓在增加，外形規(guī)格在改變，能量密度也在節(jié)節(jié)攀升。消費(fèi)者對(duì)電池的了解也不斷深入，他們需要產(chǎn)品具有更大的靈活性、更長的運(yùn)行時(shí)間、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年來一直致力于借助PIC(單片機(jī)簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前，Microchip正將這方面的技術(shù)應(yīng)用到電池管理產(chǎn)品線上，以簡化并更好地管理充電系統(tǒng)。
方法

首先，我們將一個(gè)典型的電池管理系統(tǒng)劃分為四個(gè)模塊,如圖1所示，并在下面一一探討。

從圖1可以看出，電池管理子系統(tǒng)之間的信息交換可提高預(yù)見性和安全性，提供自適應(yīng)電源管理（更長運(yùn)行時(shí)間），并優(yōu)化充電過程以恢復(fù)運(yùn)行。

充電

 基于二次電池的電池組不同于一次電池組，二次電池組在使用后需要充電，而不是像一次電池那樣會(huì)被丟棄。充電電路的種類和充電算法多種多樣，它們針對(duì)特定化學(xué)類型的電池，在其獨(dú)特的系統(tǒng)環(huán)境中為其適當(dāng)?shù)爻潆姟３潆娖鞯奈恢靡矐?yīng)適當(dāng)選擇。充電器是否是獨(dú)立單元：是座充還是通過轉(zhuǎn)換器的直充？充電器是集成在系統(tǒng)內(nèi)還是在電池組內(nèi)？其他重要的考慮因素包括充電時(shí)間、溫度范圍和噪聲要求。Microchip提供多種充電管理產(chǎn)品。公司提供用于單節(jié)或雙節(jié)鋰離子/聚合物電池組的線性充電器。線性充電器的輸出噪聲低，對(duì)那些收發(fā)語音和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)顯得非常重要。充電器產(chǎn)品的部件編號(hào)如表1所示。
---對(duì)需要高效率低功耗的設(shè)計(jì)，PS200開關(guān)模式充電控制器最高開關(guān)頻率可達(dá)1MHz。它包含為鋰電池、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。由于開關(guān)充電器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因此Microchip公司提供了軟件工具以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行IC的配置和電路圖的生成。對(duì)提供充電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)來說，另外一個(gè)解決方案是使用帶充電控制器的電量計(jì)IC。這可以利用PS501及一個(gè)由通用輸入/輸出信號(hào)控制的脈沖充電電路來實(shí)現(xiàn)。這種拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)非常緊湊而成本效益又高的解決方案。然而系統(tǒng)的充電部分是隔開的，Microchip擁有所需的算法來優(yōu)化充電，包括最大限度地提高充電能力、縮短充電時(shí)間，并使顧客達(dá)到最佳的滿意度。

保護(hù)

當(dāng)使用鋰離子/聚合物電池時(shí)，必須提供保護(hù)功能，因?yàn)檫^充或過熱可引起火災(zāi)或爆炸。鉛酸電池或鎳電池?zé)o需保護(hù)，但也常常為其提供保護(hù)電路以防止電池?fù)p壞或退化。主保護(hù)電路的形式為專用電路，用以檢測(cè)是否發(fā)生了不安全狀況，并在檢測(cè)到不安全狀況時(shí)關(guān)閉電池組以避免損壞。二次保護(hù)電路防止電池在不安全狀況下繼續(xù)充電和/或放電。萬一主保護(hù)電路發(fā)生故障，可復(fù)位的二次電路即可提供后備保護(hù)。用戶還可另行增加保護(hù)級(jí)別，如化學(xué)熔絲，當(dāng)其他級(jí)別的保護(hù)失效時(shí)，其可永久關(guān)閉電池組。專用安全I(xiàn)C通常用于主保護(hù)電路。對(duì)于二次保護(hù)和穩(wěn)定保護(hù)電路，電池管理IC是理想的選擇，這是由于它們不額外增加解決方案的成本。例如，用PS501電量計(jì)可監(jiān)控各節(jié)電池的電壓、電池組電壓、電流和溫度。通用輸入/輸出（GPIO）引腳具備強(qiáng)大的配置功能，可設(shè)置和復(fù)位任何可能的電量計(jì)條件。這種靈活性使電量計(jì)可監(jiān)控非常復(fù)雜的安全要求。

電量計(jì)量

電量計(jì)量不單是對(duì)流入流出電池組的電流進(jìn)行監(jiān)控。精確的電量計(jì)量需要一個(gè)系統(tǒng)方法，綜合考慮典型的使用方式、環(huán)境和客戶期望。理想狀況下，電池管理IC可向用戶提供無縫、無憂的操作，同時(shí)向系統(tǒng)提供所需信息，以便其做出智能化選擇從而提高系統(tǒng)性能。智能化電量計(jì)量算法可以延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和電池壽命，并通過精確檢測(cè)滿充和滿放點(diǎn)來提供額外的安全。它們還可探測(cè)和避免電池失衡和過熱等狀況。這些算法可根據(jù)系統(tǒng)狀況來調(diào)整，并可以減緩電池的老化。它們運(yùn)用可配置的電池模型來確保正確計(jì)算自放電和充電所造成的損耗。這些算法可由客戶定制，這樣用戶只接受相關(guān)信息，而不必?fù)?dān)心和煩惱會(huì)發(fā)生可導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的意外關(guān)機(jī)。Microchip的電量計(jì)產(chǎn)品具備增強(qiáng)功能，使得電量計(jì)量更加可靠。

系統(tǒng)意外關(guān)機(jī)是使用便攜設(shè)備時(shí)最令人不快的事情之一，大多數(shù)用戶應(yīng)有同感。它輕則是件討厭之事，重則會(huì)引起重要數(shù)據(jù)丟失和時(shí)間及金錢的重大損失。意外關(guān)機(jī)一般發(fā)生于電池電壓降到支持系統(tǒng)所需的水平以下。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電池電壓會(huì)大幅度降低，尤其是放電行將結(jié)束時(shí)，這時(shí)放電曲線的斜率增加。為避免意外關(guān)機(jī)，Microchip使用了一種依據(jù)系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)能量需求信息的算法，如圖2所示。電量計(jì)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)機(jī)點(diǎn)，以保證有足夠的剩余能量向用戶發(fā)出警示和保存數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移，關(guān)機(jī)點(diǎn)也會(huì)變化。隨著電池老化，滿充容量下降，電池放電的電壓曲線也發(fā)生改變。老化算法可調(diào)整關(guān)機(jī)點(diǎn)以確保能量不會(huì)隨著電池老化而被浪費(fèi)。