智能化鋰離子電池管理系統的設計與實現

1 引言

　　現代的移動通信設備越來越重視移動設備電源問題。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特性密切相關，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電池的“即插即用”，智能電池開始得到廣泛應用，國際上一些著名的電池公司均開發了針對自己電池特性的智能電池體系。

　　目前電池實現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，一種是采用集成了模擬模塊的單片機來實現。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一，有的專用集成電路已跟不上電池技術的發展。本文采用的是單片機方案，實現對采用鋰鈷材料體系生產的18650電池的智能化管理，同時考慮未來電池技術的發展，并借鑒了智能電池技術成熟應用，選用了SMBus1.1做為智能電池數據通信接口，該方案具有通用、可擴展、易升級等特點。

2 系統構成及其主要功能

系統構成原理框圖如圖1所示。

　　本系統采用Motorola68HC908單片微處理器（簡稱MCU）對4節串聯的18650型鋰離子電池進行統一管理。該MCU具有12K閃速內存貯器，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，可以方便實現多路模擬信號的采集和按SMBus1.1協議實現數據通信功能，另外該系列MCU在設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，可廣泛應用到電力電子、汽車控制、及軍工領域,可以實現對鎳氫電池、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要不斷的監測電池組電壓，實現對充電電壓的控制。

　　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、動態信息及告警信息。其中固定信息包括：電池廠商信息（生產廠家、生產日期、生產批號）、電池的化學成份、額定電壓、額定容量、規范信息、名稱等信息。動態信息包括：剩余容量、滿充容量、電池模式、溫度、溫升、充電電壓、充電電流、循環次數、剩余工作時間、電池狀態（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系統硬件電路設計

　　3.1信號的采集

　　在本系統中，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內部10Bit ADC 完成。