基于SoC的智能锂离子动力电池管理系统设计

基于SoC的智能锂离子动力电池管理系统设计*刘文昊1陈敬远2沈炜1（1浙江理工大学信息电子学院，浙江杭州310018；2浙江传媒学院，浙江杭州310018）Management System for Intelligence Lithium－ion Power Battery Based on SoC目前锂离子动力电池保护技术有两种：一种是基于专门的保护芯片的，这种电路一般只针对四节电芯以下的动力电池，可扩展性差；另一种是基于模拟电路的，这种电路相对精度低，保护可靠性差。

因此，使用片上系统（SoC，System－on－Chip）结合外围电路的技术，实现了灵活、低成本、高效率的智能锂离子动力电池管理方案。

1系统框图及原理使用SoC结合外围电路的技术完全可以应用于锂离子电池的管理，在该方案中，SoC芯片选用PIC16F887，用于管理外围电路，因此，PIC16F887不需要直接面对高电压、大电流，而只需要处理外围电路传递的信号，从而实现灵活高效的控制。

为方便起见，假定锂离子动力电池采用5节18650电芯串联而成，充电采用先恒流再恒压的充电方法。

恒流充电电流为2．5A，恒流充电截止电压为4．2V，恒压充电截止电流为0．1A。

放电电压下限为2．5V。

系统原理图如图1所示。

图1保护电路原理图当串联电芯中任意一节电压低于2．500±80mV并有1000ms延时时，控制板产生过放保护，切断放电回路；当串联电芯任意一节电压高于4．3V±25mV并有1000ms延时时，控制板产生过充保护，切断充电回路；当电池输出正负极直接短路时，控制板立即产生短路保护，切断放电回路；当充电过程中电池组的温度超过50±2℃或者放电过程中电池组的温度超过70±2℃时，控制板切断相应的回路进行过温保护；均衡电路必须保证充电和放电结束时任意两串电芯间的电压差不得超过20mV；电压显示用不同的电池电压表示不同的容量，使用四个LED显示。

2系统硬件设计2．1采样电路1）电压采样。

关键在于怎样获得单节电芯的端电压。

为了尽可能减小外围电路的复杂度，便于集成，降低成本。

本系统采用电阻分压网络对电池组进行分压，获得每节电芯对地的电压，单节电芯端电压的计算放在PIC16F887的程序中进行。

第n节电芯的端电压等于第n节电芯对地的电压减去第n－1节电芯对地的电压，依次类推。

2）电流采样。

采用精密电流采样电阻进行采样。

为了减小功耗，采样电阻阻值要尽量小，这里采用2mΩ，精度为0．1％的精密电阻，电阻串联在电池组的负极端。

放电回路流过采样电阻的电流被转化为电阻两端的电压送入PIC16F887的模拟输入口，与过流门限电压进行比较以做过流判别。

3）温度采样。

使用负温度系数温敏电阻来获得电池的温度信息，每两节电芯共用一个温敏电阻，温敏电阻紧贴在电芯表面。

通过测量电阻的阻值来获得电池的温度。

2．2短路保护电路目前，主要的短路保护方法有：采用聚合物式正向温度系数和电池组短路保护芯片实现。

但前者的反应速度较慢，动作时间大约在500ms左右；后者一般只适用于串联级数较少的电池组中，灵活性较差。

因此，该保护电路采用模拟电路来实现。

短路保护所依据的电压来自电流采样电路中采集到的电压U1。

短路保护基准电压可以根据具体要求通过调节R4和R5的值灵活设定。

锂离子动力电池短路保护电路如图2所示。

电路中的两个摘要针对目前锂离子动力电池保护电路扩展性和可靠性差的缺陷，设计了一种基于片上系统的锂离子动力电池保护电路，详细介绍了电路的硬件和软件设计，实现了灵活高效的锂离子动力电池管理方案。

关键词：智能锂离子动力电池，SoC，管理系统AbstractAimed at the defect of poor reliability and scalability for the current lithium－ion battery protection circuit,a protection cir-cuit of lithium－ion power battery based on SoC was designed．The hardware and software design of protection circuit is in-troduced in detail,a flexible and highly efficient lithium－ion battery management program is achieved．Keywords:intelligence lithium－ion power battery,SoC,managementSystem基于SoC的智能锂离子动力电池管理系统设计82*杭州市产学研合作项目（20071931E36）运放选用双运放LM358。

综合采样精度和短路保护动作时间的考虑，电容C1和C2的取值不宜过大，本电路中两者均取100pF。

D1和D2均选用MBR2045CT。

过流保护采用多级保护模式，即设定多个过流保护阈值电压，并分别设定过流延迟时间，阈值越大的延迟时间越短。

电流电压转换电路由双运放LM358和若干电阻电容组成。

利用运放的“虚断”特性可知，电压U2＇＝I·R s（其中I表示放电回路中RS两端流过的电流），利用运放的“虚短”特性，可知U1＇＝U2＇，因此，U1＝U1＇2·（R2＋R3），U1＝I·RsR2·（R2＋R3）这样，电流电压转换电路就把采样电阻RS两端流过的电流I转换为了电压U1。

电压U1送入PIC16F887的I／O口ANL5，经过PIC16F887的A／D转换后，和过流门限电压比较，从而控制短路保护电路的状态。

图2短路保护电路当放电回路发生短路时，回路中的电流突然增大，电压U1大于短路保护基准电压U2，比较器输出低电平。

由于在正常放电时，过放控制端RD2口输出高电平，因此，此时二极管D3导通，过放控制端RD2口立即被拉低为低电平，过放控制MOS-FET M2被关断，放电回路立即被切断。

PIC16F887的INT中断设置为下降沿中断，短路后INT中断服务程序检测短路保护解除条件并控制RD2端的输出以解除短路保护。

放电回路没有短路时，回路电流较小，比较器输出为高电平，且其电压值大于过放控制端RD2口的电压，因此二极管D3处于截止状态，短路保护不工作。

图3短路保护动作波形短路保护动作仿真波形如图3所示，测试点如图2中所示。

探针probe1检测的是放电回路的电流，探针probe2检测的是过放控制MOSFET M2的栅极电压。

当放电回路发生短路时，放电回路中的电流从20A突然增大到40A，二极管D3从截止状态变为导通状态，过放控制MOSFET M2的栅极电压被拉低至0．7V，M2截止，放电回路被切断，电池得到保护。

从图中可以看出，动作时间大约为70μs。

该锂离子动力电池短路保护电路的特点是短路保护动作所依据的电压来源于过流保护电路得到的电压，实现了过流保护和短路保护的有效结合，保护电路完全由模拟电路来实现，具有电路简单，反应时间短，成本低，灵活度高等优点。

2．3均衡电路由于动力电池是由多节电芯串联而成，且目前充放电也主要是串联方式。

因此，在充电过程中，必然会出现一节电芯首先充满的情况；而在放电过程中，又会出现一节电芯首先放完的情况。

这样久而久之，会严重影响电池的使用寿命，因此，均衡电路的好坏对电池的寿命至关重要。

为了提高均衡效率，本系统采用独立均衡的控制方法，每节电芯都配备一个均衡模块，电路原理图如图4所示。

电路由一个反向阻塞二极管，一个限流电阻，一个功率晶体管和晶体管驱动电路组成。

充电时，电压首先达到4．2V的那几节电芯的均衡模块工作，将该节电芯的充电电流分流，减小该节电芯的实际充电电流；放电时，电压最晚达到2．5V的那些电芯的均衡模块工作，增加该节电芯的放电电流。

两种情况都是减小了电芯的端电压，使电芯的电压都趋近于充电和放电的截止电压，达到均衡的目的。

2．4电量显示电路为了尽可能准确地反映锂离子动力电池剩余电量的多少，对各节电芯的电压取平均后，作为剩余电量的判断依据。

电量显示采用四个LED来指示剩余电量的多少，用LED亮的个数表示剩余电量的多少。

电压、剩余电量和LED亮的个数三者之间的关系如表1所示。

表1电压、剩余电量和LED亮的个数之间关系表电量显示电路中设计一个轻触开关，平时不显示，当按一下轻触开关，电量指示功能启动并延时显示2s。

2．5低功耗设计由于锂离子动力电池保护电路也要由电池来供电，因此，为了延长尽量延长一次充电的使用时间，电路的功耗要尽可能地小。

因此，低功耗设计显的至关重要。

低功耗设计主要从两方面着手，一是PIC16F887的外围电路，另一个就是PIC16F887本身。

对于外围电路，尽可能选用功耗低的器件，电压、电流检测等采样电路设计一个开关MOS管用以控制采样电路的开启和关闭，在不需要采样的情况下，关闭采样电路，以降低电量消耗。

锂离子动力电池在充电、放电和显示按键按下时，PIC16F887处于工作模式，其余时间处于休眠模式。

唤醒采用电流唤醒和显示按键唤醒的方法。

3系统软件设计为了提高程序的可移植性，采用C语言编程，开发环境采用MPLAB IDE集成开发环境，编译器采用Hi－Tech公司的PICC v8．05。

系统上电后，先进行系统初始化和打开中断，然后设置TMR0定时器为溢出中断，每256个时钟周期溢出一次，作为数据采样的时间周期。

在溢出中断服务程序中进行所有的数据采集，主程序设置对应的计时变量，并在主程序中检测过压，过流，过温时间，以控制过压，过流，过温保护电路的工作状态。

算法如下：（下转第85页）图4均衡模块原理图（上接第83页）1）系统初始化，并打开中断；2）设置TMR0为溢出中断；3）设置过压，过流，过温计时变量；4）TMR0发生溢出中断，则转入中断服务程序中进行数据采样；5）对相应的计时变量进行计时更新；6）检测过压，过流，过温时间，时间到，则启动相应的保护电路。

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