超低功耗的锂电池管理系统设计

发布者:peon1989最新更新时间:2015-07-03 来源: eepw关键字:超低功耗  锂电池  管理系统 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  为了满足某微功耗仪表的应用,提高安全性能,提出了一种超低功耗锂电池管理系统的设计方案。该方案采用双向高端微电流检测电路,结合开路电压和电荷积分算法实现电量检测。采用纽扣电池代替DC/DC降压电路最大程度降低功耗。系统实现了基本保护、剩余电量检测、故障记录等功能。该锂电池管理系统在仪表上进行验证,结果表明具有良好的稳定性和可靠性,平均工作电流仅145μA。

  随着电子技术的快速发展,仪器仪表的应用领域不断拓宽,电池供电成为了重要的选择。电池管理系统是电池使用安全性的有效保障。目前的电池管理系统大多为大容量电池组、短续航时间的应用而设计,这种管理系统服务的设备功耗大,电池的循环时间短,管理系统自身的功耗也不低,不适合在低功耗仪表场上使用。某燃气远程监控仪表,平均系统电流仅为几毫安,要求在低温下连续运行6个月以上,为了满足该工程的应用,本文介绍了一种低温智能锂电池管理系统的设计方案,对20Ah 4串8并的32节单体电芯进行管理。具有基本保护、电量计量、充电均衡和故障记录功能。实验验证该系统各项功能性能良好,达到了设计要求。

  1. 系统的总体结构

  低温锂电池管理系统主要由基本保护电路、电量计、均衡电路、二级保护等几个部分组成,如图1所示。

  

 

  图1 低温锂电池管理系统结构

  基于低功耗的考虑,设计中采用了许多低功耗器件,如处理器采用MSP430FG439低功耗单片机;电压基准采用REF3325,该基准电源的功耗极低仅3.9μA;运放用了工作电流仅1.5μA的LT1495;数字电位器采用了静态电流低至50nA的AD5165等。对工作电流较大的间歇性工作电路增加了电源管理电路,以降低能耗。

  低温电池组的额定电压为14.8V,由4组电芯串联而成,每组电芯包含8节单体电 芯,正常的工作电压为2.5~4.2V。每个采集周期采集各组电芯的电压,处理器根据电压大小给保护执行电路发出指令,执行相应的保护动作。均衡电路用单片机和三极管实现,代替了均衡专用芯片。系统会把电压电流和温度的最值、电池已使用的时间、剩余电量和其他异常信息记录在存储设备内。处理器提供了TTL通信接口,现场的计算机可以通过一个TTLRS232转换模块读取存储设备中的日志。充电过程中为了防止MCU死机等异常而出现保护失效。增加了二级保护电路,若电压超出预设值,将会启动二级保护电路,熔断三端保险丝,阻止事故的发生。

  2. 硬件设计

  2.1 保护执行电路

  保护执行电路是保护动作的执行机构,CH 是充电控制开关,DISCH是放电控制开关,通过控制CH和DISCH做出相应的保护动作,电路图如图2所示。

  

 

  图2 保护执行电路

  CH和DISCH在正常工作时置为低电平,此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态,DISCH 置为高电平,此时Q2断开,Q3导通,将M2栅极电容的电荷迅速放电,使M2能瞬间关闭,完成保护。当出现充电过流或者过充电状态,将CH置为高电平,关闭M1.电路中MOSFET选用了IRF4310,该MOSFET导通电阻仅为7kΩ,通流能力可达140A。

  2.2 均衡电路和二级保护

  图3(a)给出了某组电芯充电均衡电路的示意图,充电均衡电路由4个该种单元串联而成。由单片机采集ADV端电压,可得到该组电芯电压。充电过程中若电压超过4.2V,单片机控制脚BLA置为高电平,此时该组电芯被短路,充电电流流经R4给其他组电芯充电,由此保证各组电芯电量在充电完成后具有较好的一致性。

  二级保护是不可逆的,只有在非常危急的情况下才会启动,电路如图3(b)所示。BQ29411是一款静态电流仅2μA的二级保护芯片。任意一组电芯电压超过4.4V,OUT将输出高电平,三端保险丝F3开始加热,当温度超过139℃时保险丝就会熔 断。

  

 

  图3 充电均衡和二级保护电路

  3. 双向高端微电流检测电路

  在单电源供电的微小信号检测应用中,由于采样电压很小,常受制于运放的供电轨而难以完成对小信号的检测。本设计中采用了电流高端检测电路,可以摆脱单电源供电对小信号检测的限制。高端检测电路采用了凌特公司LT1495超低功耗运放,电路示意图见图4。

  

 

  图4 电流检测电路

  此电路可以实现对双向小电流的采样放大及判定电流的方向。R9为采样电阻,考虑到短路时电流较大,其阻值一般很小,本方案中R9阻值设为25mΩ。当电池处于放电状态,假定电流源、R9和LOAD组成的环路电流方向为顺时针,此时DIR1为低电平,DIR2为高电平,M1截止,M2导通。流过R4的电流IR4=R9×IR9/R4,R5输出端的电压信号为VCUR=R9×IR9×R5/R4。当电池处于充电状态时,回路电流为逆时针方向,此时由运放U1完成对电流信号的放大,DIR1 为高电平,DIR2为低电平。当电池处于闲置状态回路无电流时,DIR1和DIR2均为低电平。通过DIR1和DIR2的逻辑状态可以判定锂电池处于放电、充电或者是闲置状态。[page]

  4. 电源设计

  电源设计采用了纽扣电池给系统供电的设计方案,省去了DC/DC和LDO芯片,降低了降压芯片的损耗功耗,电路示意图如图5所示。

  

 

  图5 数字电源示意图

  图中R为数字电位器,选用ADI公司的AD5165,它的调节范围从0~100kΩ,静态电流仅50nA.V1和V2为纽扣电池,选用日本精工的MS920SE,该型号支持最大800μA的最大电流放电。采集时间到来根据电池组电压值CELL4+ 调整电位器的阻值,R= (R1+ R2)[(CELL4+)-3.6V)],闭合开关W1 和W2 并采集POW_DET的电压,由此来判定纽扣电池的电量。若D1阳极电压值小于充电阈值电压,说明纽扣电池电压过低,则断开W2并调节数字电位器用适当的电流对纽扣电池进行充电。下一个采集周期到来重新调整数字电位器R,闭合W1和W2并采集POW_DET的电压,由此来判定纽扣电池的电量是否充满,若D1阳极电压大于充电完成阈值电压,说明纽扣电池充满,则断开W1和W2。由此完成对纽扣电池的充电调节控制。3.3V数字电源经LC滤波转换成模拟电源。

  5. 软件设计

  软件采用模块化设计,主要包含了初始化模块、纽扣电池电量检测和控制模块、电池组状态检测和异常处理模块、电量估算模块4部分。文中给出了电池组状态检测和异常处理模块的软件流程图,如图6所示。

  系统每次采集完电池组的各项信息后会将本次的测量值和历史记录值比较,若判定本次测量值为最大或者最小值,则将该值覆盖历史值,并保存在存储设备中。每次的异常状况也都会记录保存,现场的PC可以通过串口读取存储设备中的日志,查看异 常信息。

  

 

  图6 电池组状态检测和控制软件流程图

  SOC估算采用了开路电压和安时 积分相结合的估算方法,对SOC估算精度的影响因素众多,温度、放电电流、循环次数等都会带来误差,有一种SOC估算公式:

  

 

  其中:SOC为当前的电量,SOC0为初始状态的电荷量,C为电池的容量,K为修正系数,为经验值。I为测得的瞬时电流,充电为负值,放电为正值。为了得到精确的SOC估算值,需要在运用安时积分法时定期或不定期地对于SOC0进行修正。

  某燃气仪表的工作电流较为平稳,功率P=U×I为一固定值,由公式可知随着电池电压的降低,仪表的工作电流增大。鉴于电池电压变化缓慢,本方案中电流采样电路设置为每隔5min采样一次,以达到降低功耗的目的。将第n次采样电流in视为该次采样周期内的平均电流,由此可得

  

 

  锂电池管理系统可以根据目前的工作电流与SOC情况估算出剩余的续航时间。

  结语

  有些低功耗的仪表对电池的续航时间有特殊的要求,本设计针对续航时间较长的应用需求,通过硬件和软件低功耗技术设计了一种应用于低功耗仪表的锂电池管理系统,可以完成对4串8并32节低温锂电池组的管理功能。经某燃气远程监控仪表运行试验,锂电池管理系统各项功能性能良好,工作电流仅为145μA,远远低于现有的锂电池智能管理系统。

关键字:超低功耗  锂电池  管理系统 引用地址:超低功耗的锂电池管理系统设计

上一篇:一种基于μC/OS-II的基站监控终端设计
下一篇:基于蓝牙技术的火控检测系统无线网络的研究

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 14:23

想要技术突破发展?电动汽车BMS系统很关键
亨利福特于1903年创建福特汽车公司,在当时很少有人买得起汽车。它们制造成本高昂,维修费用昂贵且运行复杂。在当时,汽车仍然是少数特权阶层的奢侈品。直到,福特巧妙地使用内燃机,新的制造技术和廉价的维修设计,才能将奢侈品推向主流,永远改变了一般人的交通方式。 在时间经过了116年后,今天的人们又面临了相同的问题。随着油价飙升,资源萎缩和环境压力的不断增加,世界各地的政府和民众正在寻求更好、更清洁、更有效的汽油替代品,这一点不足为奇。目前许多欧洲国家都已经开始推动甚至已经立法禁止销售新的非电动汽车。这使电动汽车(EV)行业成为今日最令人兴奋的领域之一。 2019年电动车市场发展 但就像回到一个多世纪以前的那些早期汽车一样,为大众
[嵌入式]
想要技术突破发展?电动汽车BMS系统很关键
TDK:未来五年内锂电池业务收入将翻番
日本电子原材料及元器件制造商TDK集团(TDK Corp)高管表示,通过将锂电池的使用范围扩大到智能手机和个人电脑领域之外,未来五年内要将其锂电池业务的收入翻一番。    这家总部位于东京的电子元件制造商是世界上许多顶级智能手机、平板电脑和游戏机品牌的关键供应商,新冠疫情引发的销量激增提升了该公司的业绩。该公司总裁Shigenao Ishiguro表示,随着这种需求开始消退,希望通过将其产品阵容扩大到电动摩托车、住宅系统和蜂窝基站等更大电池组方面,以此来维持销量增长势头。    TDK 一半的收入来自其 Amperex Technology Limited (ATL) 电池业务。2021财年ATL实现营收 7400 亿日元(约合6
[电源管理]
TDK:未来五年内<font color='red'>锂电池</font>业务收入将翻番
锂电池满产满销,蔚蓝锂芯一季度净利润预增超过14倍
4月9日晚间,蔚蓝锂芯发布公告称,预计一季度净利润1.5亿元至1.65亿元,同比增长1411.44%-1562.59%。 对于业绩变动的原因,蔚蓝锂芯表示,2021年一季度,公司各项业务经营状况良好,整体经营业绩环比2020年第四季度也保持了较好的增长;而2020年第一季度受疫情影响较大,因此业绩同比增长更为显著。报告期内,锂电池业务继续保持四季度的良好态势,整体处于满产满销状态,是公司利润的最大贡献来源。 据悉,2020年度,蔚蓝锂芯锂电池业务实现净利润2.67亿元,同比增长137.87%,即使扣除补贴等非经常性因素外,扣非净利润也达到了约2.3亿元。 此外,蔚蓝锂芯锂电池业务现有年产能约4亿颗左右,产线处于满产状态。张家港厂
[手机便携]
美国科学家研发新型热调控磷酸铁锂电池
据报道,美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授团队研发了一种热调控磷酸铁 锂电池 (TMB),可同时解决当今有关新能源汽车“里程担忧”和“充电时间忧虑”的两大难题。 具体而言,该磷酸铁 锂电 池仅需充电10分钟就可以续航约250英里,电池寿命超过200万英里,而且成本仅与传统的 内燃机 相当。 这款电池满足了 电动汽车 大规模普及的所有需求,即低成本、无里程焦虑、超安全、长寿命、全气候,可以帮助实现让电动汽车走进千家万户的目标。 研究人员表示,“我们为普通大众的电动汽车开发了一种电池,其成本与内燃机汽车相当。这款电池不再存在里程焦虑,而且价格实惠。” 该研究成果已于1月18日发表于能源领域世界最顶级期刊《自然?能源》(N
[汽车电子]
美国科学家研发新型热调控磷酸铁<font color='red'>锂电池</font>
天能动力锂电池业务获香港联交所分拆批准
  中国动力电池龙头企业天能动力12月29日发布公告,欣然宣布公司旗下锂电池业务正式获得香港联交所分拆批准,建议于国内新三板挂牌上市。   释放股东价值,更清晰确定锂电业务的公平值   据天能动力公告,除了向管理层定向增发外,公司在锂电业务挂牌时不会出售任何股份,而且挂牌前也不会增发任何股份。因此公司现有股东于天能锂电的权益不会被进一步摊薄,天能动力仍然控股国内上市公司。   此外,天能动力管理层认为,锂电池分拆上市有助于强化锂电池品牌建设,吸引更多投资者,公司高增长业务的价值进一步明确。   独立融资平台提供强有力的产业支撑   借助中国新能源汽车发展的快车道,作为核心零部件的锂电池产业发展如虎添翼。天能动
[新能源]
PLC锂电池的更换时间及步骤
  在plc中存放用户程序的随机存储器(RAM)、计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保护,锂电池的寿命大约5年,当锂电池的电压逐渐降低达一定程度时,PLC基本单元上电池电压降低指示灯亮。提示用户注意,有锂电池支持的程序还可保留一周左右,必须更换电池。   更换锂电池步骤:   1、在更换电池前,首先备份PLC的用户程序   2、在拆装前,应先让PLC通电15s以上(这样可使作为存储器备用电源的电容器充电,在锂电池断开后,该电容可 对PLC做短暂供电,以保护RAM中的信息不丢失);   3、断开PLC的交流电源   4、打开基本单元的电池盖板   5、取下旧电池,装上新电池   6、盖上电池盖板   更换电池时间要
[嵌入式]
储能一体柜-安科瑞Acrel-2000储能能量管理系统 安科瑞 孟强荣15852665795 概述 系统结构图 产品规格 应用范围 配套产品 系统功能 1.1. 实时监测 1.2.
安科瑞 孟强荣15852665795 概述 安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS.电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。既可以用于储能一体柜,也可以用于储能集装箱,是专门用于设备管理的一套软件系统平台。 系统结构图 产品规格 应用范围 储能一体柜 工商业储能集装箱 配套产品
[新能源]
技术文章—HT876 锂电池串联立体声2x10W音频放大解决方案
引言   随着蓝牙音箱功能和性能的快速提升,消费者对功率及音质的要求也越来越高,在室外应用场景下,单节锂电池方案已经越来越难满足设计需求了,对于音箱的设计者来说,两节锂电池串联设计已是更优的选择。两节锂电串联可以为音箱系统提供更高的供电电压,从而提高功放的输出功率。现在市场上能够满足两节锂电供电的双声道音频功放的型号,比如TI的TPA3130D2/TPA3138D2/AD52068等,没有带AB/D类切换功能,无法完全避免FM收音干扰;国内一些厂家也针对两节锂电的应用推出一些单声道AB/D类切换的功放IC,在两颗组合应用于驱动双音圈喇叭音响的时候,因每个芯片内部为D类功放PWM调制提供时钟的振荡器都是独立的振荡源,芯片之间总有
[电源管理]
技术文章—HT876  <font color='red'>锂电池</font>串联立体声2x10W音频放大解决方案
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved