详解锂电池监测报警电路设计

详解锂电池监测报警电路设计

本文提出了一种适用于锂电池的电流监测电路，通过在锂电池供电环路引入灵敏电阻对电流进行采样，并使用时钟控制开关电容运算放大器和高速比较器，实现从模拟信号到数字信号的转换。在处理器中进行精确电流量的运算，能对过流、短路电流进行保护，也能用于精确计算电池阻抗、电量等相关参数。电路基于 0.18m CMOS 工艺，电源电压为 2.5 V。对所设计电路进行了仿真验证。结果表明，该电路在- 40℃～+125℃应用环境温度范围内能够实现对电流的采样和编码功能，并且能对充放电动作进行判断。

电流监测电路

模/数转换器（ADC）由采样、量化和编码构成。本文设计的锂电池电流监测系统框图如图 1 所示。其中，电容和 AMP 放大器组成开关电容采样电路，C0MP 高速比较器对数据进行量化，处理器对电路进行数字逻辑控制及编码。偏置电路提供AMP 放大器自启动支路并产生 Vbe1和 Vbe4。时钟模块控制系统开关，包括 LII、LI2、LI5、LI6、LI38。处理器输出数字信号 Logic Control 改变量化电容。

开关电容采样电路

如图 2 所示，通过 V+和 V-间的灵敏电阻进行采样；。Vbe1和 Vbe4是由 BE 结产生的电压基准；C3 容值用 n（2 的倍数）表示（C 为单位电容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C）；时钟控制为高时开关导通，为低时开关断开。

电池切换模块设计

电池切换模块由驱动电路和继电器组成的切换电路阵列组成。其中，每个切换电路单元对应一个电池单体。驱动电路主要由反向器74LS04 和三极管S9013 组成，受P1 口输出的控制信号控制，对继电器的开、闭状态进行控制。采用可同时转换两路信号的双触电继电器4137，实现对充放电回路和电池状态检测回路同时进行切换。利用外部中断INT1 的中断控制功能，并通过单片机的P3.6 对两个切换按键状态进行检测判断，同时利用“上移”和“下移”按键，实现电池单体间的手工切换。电池单体间的切换单元电路如图3所示。

充放电模块设计

充放电模块由充电电路、放电电路和充放电控制电路组成。由单片机输出的充电或放电控制信号分别控制充电或放电电路对电池进行充电或放电。电池充放电电路如图4 所示。

电压检测模块设计

电压检测模块由三端稳压电路、分压电路和比较电路组成。三端稳压电路由LM317 及其外围电路组成，其输出的电压经分压电路分压后，作为基准电压，分别送到由LM339组成的比较器的一端，从电池正极采集的电压送到比较器电路的另一端，从各比较器的输出的电平状态，可对当前电池的电量情况及放置状态进行判断。这些状态信号作为检测信号，再送回单片机，由单片机控制充放电电路工作，并对电池状态进行指示。电池电压检测电路如图5 所示。

编辑点评：本文简单介绍了锂电池监测报警系统的电路设计，下文设计的电路在锂电池供电环路中引入灵敏电阻对电流进行监测，给系统提供充放电提示，同时可用于电量计算以及保护控制。