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措施，具有抗干擾能力強，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、手搖發(fā)電機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總線互連進行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個階段，首先進行恒流充電，當電池電壓達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。

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(yīng)緊貼電池表面，每兩只電池共用一只熱敏電阻。

3.2均衡保護電路的設(shè)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(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(guān)的設(shè)計

保護開關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護開關(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

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，運算放大器選擇低功耗運放。測量電路設(shè)計了開啟和關(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，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(guān)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。

供電功能

當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、手搖發(fā)電機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總線互連進行信息交換。鋰離子電池充電一般分兩個階段，首先進行恒流充電，當電池電壓達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。

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(yīng)緊貼電池表面，每兩只電池共用一只熱敏電阻。

3.2均衡保護電路的設(shè)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(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(guān)的設(shè)計

保護開關(guān)選擇功率MOS管作為充電和放電保護開關(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

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，運算放大器選擇低功耗運放。測量電路設(shè)計了開啟和關(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，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(guān)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。