suizhedianzijishudekuaisufazhan，yiqiyibiaodeyingyonglingyubuduantuokuan
，dianchigongdianchengweilezhongyaodexuanze。dianchiguanlixitongshidianchishiyonganquanxingdeyouxiaobaozhang。muqiandedianchiguanlixitongdaduoweidarongliang電池組、duanxuhangshijiandeyingyongersheji，zhezhongguanlixitongfuwudeshebeigonghaoda，dianchidexunhuanshijianduan
，guanlixitongzishendegonghaoyebudi，bushihezaidigonghaoyibiaochangshangshiyong。mouranqiyuanchengjiankongyibiao，pingjunxitongdianliujinweijihaoan
，yaoqiuzaidiwenxialianxuyunxing6個月以上

，為了滿足該工程的應用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理係統的設計方案，對20Ah 4串8並的32節單體電芯進行管理。具有基本保護、電量計量
、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該係統各項功能性能良好，達到了設計要求。

 

 

充電均衡電路由4個該種單元串聯而成。由單片機采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2V


，單片機控製腳BLA置為高電平，此時該組電芯被短路，充電電流流經R4給其他組電芯充電
，由此保證各組電芯電量在充電完成後具有較好的一致性。

 

二級保護是不可逆的，隻有在非常危急的情況下才會啟動
，電路如圖1所示。BQ29411是一款靜態電流僅2μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V，OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱
，當溫度超過139℃時保險絲就會熔 斷。

 

圖1：某組電芯充電均衡電路的示意圖
 

 

 

保護執行電路是保護動作的執行機構
，CH 是充電控製開關，DISCH是放電控製開關，通過控製CH和DISCH做出相應的保護動作
，電路圖如圖2所示。

 

圖2：保護執行電路

 

CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時M1和M2均導通。當出現放電過流或者過放電狀態
，DISCH 置為高電平，此時Q2斷開，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關閉，完成保護。當出現充電過流或者過充電狀態，將CH置為高電平，關閉M1.電路中MOSFET選用了IRF4310
，該MOSFET導通電阻僅為7kΩ，通流能力可達140A。

 

低溫鋰電池管理係統主要由基本保護電路
、電量計、均衡電路、二級保護等幾個部分組成。

 

圖3：低溫鋰電池管理係統結構

 

基於低功耗的考慮，設計中采用了許多低功耗器件，如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機；電壓基準采用REF3325，該基準電源的功耗極低僅3.9μA;運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數字電位器采用了靜態電流低至50nA的AD5165等。對工作電流較大的間歇性工作電路增加了電源管理電路，以降低能耗。

 

低溫電池組的額定電壓為14.8V，由4組電芯串聯而成，每組電芯包含8節單體電 芯，正常的工作電壓為2.5~4.2V。每mei個ge采cai集ji周zhou期qi采cai集ji各ge組zu電dian芯xin的de電dian壓ya，處chu理li器qi根gen據ju電dian壓ya大da小xiao給gei保bao護hu執zhi行xing電dian路lu發fa出chu指zhi令ling
，執zhi行xing相xiang應ying的de保bao護hu動dong作zuo。均jun衡heng電dian路lu用yong單dan片pian機ji和he三san極ji管guan實shi現xian
，代dai替ti了le均jun衡heng專zhuan用yong芯xin片pian。係xi統tong會hui把ba電dian壓ya電dian流liu和he溫wen度du的de最zui值zhi、電池已使用的時間、剩餘電量和其他異常信息記錄在存儲設備內。處理器提供了TTL 通信接口，現場的計算機可以通過一個TTLRS232轉換模塊讀取存儲設備中的日誌。充電過程中為了防止MCU死機等異常而出現保護失效。增加了二級保護電路
，若電壓超出預設值，將會啟動二級保護電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發生。

4、電源設計

 

電源設計采用了紐扣電池給係統供電的設計方案，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降壓芯片的損耗功耗
，電路示意圖如圖4所示。

 

圖4：數字電源示意圖

 

圖中R為數字電位器，選用ADI公司的AD5165，它的調節範圍從0~100kΩ
，靜態電流僅 50nA.V1和V2為紐扣電池，選用日本精工的MS920SE，該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時間到來根據電池組電壓值CELL4+ 調整電位器的阻值
，R= （R1+ R2）［（CELL4+）-3.6V）］
，閉合開關W1 和W2 並采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小於充電閾值電壓，說明紐扣電池電壓過低，則斷開W2並調節數字電位器用適當的電流對紐扣電池進行充電。下一個采集周期到來重新調整數字電位器R，閉合W1和W2並采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量是否充滿，若 D1陽極電壓大於充電完成閾值電壓，說明紐扣電池充滿

，則斷開W1和W2。由此完成對紐扣電池的充電調節控製。3.3V數字電源經LC濾波轉換成模擬電源。

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5、雙向高端微電流檢測電路

 

在zai單dan電dian源yuan供gong電dian的de微wei小xiao信xin號hao檢jian測ce應ying用yong中zhong
，由you於yu采cai樣yang電dian壓ya很hen小xiao，常chang受shou製zhi於yu運yun放fang的de供gong電dian軌gui而er難nan以yi完wan成cheng對dui小xiao信xin號hao的de檢jian測ce。本ben設she計ji中zhong采cai用yong了le電dian流liu高gao端duan檢jian測ce電dian路lu
，可ke以yi擺bai脫tuo單dan電dian源yuan供gong電dian對dui小xiao信xin號hao檢jian測ce的de限xian製zhi。高gao端duan檢jian測ce電dian路lu采cai用yong了le淩ling特te公gong司siLT1495超低功耗運放
，電路示意圖見圖5。

 

圖5：電流檢測電路

 

此電路可以實現對雙向小電流的采樣放大及判定電流的方向。R9為采樣電阻，考慮到短路時電流較大，其阻值一般很小，本方案中R9阻值設為25mΩ。當電池處於放電狀態，假定電流源、R9和LOAD組成的環路電流方向為順時針，此時DIR1為低電平，DIR2為高電平，M1截止，M2導通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4
，R5輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當電池處於充電狀態時，回路電流為逆時針方向，此時由運放U1完成對電流信號的放大，DIR1 為高電平，DIR2為低電平。當電池處於閑置狀態回路無電流時，DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態可以判定鋰電池處於放電
、充電或者是閑置狀態。

 

 

軟件采用模塊化設計，主要包含了初始化模塊、紐扣電池電量檢測和控製模塊、電池組狀態檢測和異常處理模塊、電量估算模塊4部分。文中給出了電池組狀態檢測和異常處理模塊的軟件流程圖

，如圖6所示。

 

係(xi)統(tong)每(mei)次(ci)采(cai)集(ji)完(wan)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)各(ge)項(xiang)信(xin)息(xi)後(hou)會(hui)將(jiang)本(ben)次(ci)的(de)測(ce)量(liang)值(zhi)和(he)曆(li)史(shi)記(ji)錄(lu)值(zhi)比(bi)較(jiao)，若(ruo)判(pan)定(ding)本(ben)次(ci)測(ce)量(liang)值(zhi)為(wei)最(zui)大(da)或(huo)者(zhe)最(zui)小(xiao)值(zhi)，則(ze)將(jiang)該(gai)值(zhi)覆(fu)蓋(gai)曆(li)史(shi)值(zhi)，並(bing)保(bao)存(cun)在(zai)存(cun)儲(chu)設(she)備(bei)中(zhong)。每(mei)次(ci)的(de)異(yi)常(chang)狀(zhuang)況(kuang)也(ye)都(dou)會(hui)記(ji)錄(lu)保(bao)存(cun)

，現(xian)場(chang)的(de)PC可以通過串口讀取存儲設備中的日誌，查看異常信息。

 

圖6：電池組狀態檢測和控製軟件流程圖

 

SOC估算采用了開路電壓和安時 積分相結合的估算方法，對SOC估算精度的影響因素眾多
，溫度、放電電流
、循環次數等都會帶來誤差
，有一種SOC估算公式：

其中：SOC為當前的電量，SOC0為初始狀態的電荷量，C為電池的容量，K為修正係數
，為經驗值。I為測得的瞬時電流
，充電為負值，放電為正值。為了得到精確的SOC估算值，需要在運用安時積分法時定期或不定期地對於SOC0進行修正。

 

某燃氣儀表的工作電流較為平穩，功率P=U×I為一固定值
，由公式可知隨著電池電壓的降低，儀表的工作電流增大。鑒於電池電壓變化緩慢
，本方案中電流采樣電路設置為每隔5min采樣一次，以達到降低功耗的目的。將第n次采樣電流in視為該次采樣周期內的平均電流，由此可得

鋰電池管理係統可以根據目前的工作電流與SOC情況估算出剩餘的續航時間。

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