超低功耗的鋰電池管理系統設計

　　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。當電池處于放電狀態，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。當電池處于充電狀態時，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。當電池處于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于放電、充電或者是閑置狀態。

　　4. 電源設計

　　電源設計采用了紐扣電池給系統供電的設計方案，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5所示。

　　圖5 數字電源示意圖

　　圖中R為數字電位器，選用ADI公司的AD5165,它的調節范圍從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 并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓，說明紐扣電池電壓過低，則斷開W2并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并采集POW_DET的電壓，由此來判定紐扣電池的電量是否充滿，若D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓，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制。3.3V數字電源經LC濾波轉換成模擬電源。

　　5. 軟件設計

　　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制模塊、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。

　　系統每次采集完電池組的各項信息后會將本次的測量值和歷史記錄值比較，若判定本次測量值為最大或者最小值，則將該值覆蓋歷史值，并保存在存儲設備中。每次的異常狀況也都會記錄保存，現場的PC可以通過串口讀取存儲設備中的日志，查看異 常信息。

　　圖6 電池組狀態檢測和控制軟件流程圖

　　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為修正系數，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于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。鑒于電池電壓變化緩慢，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

　　鋰電池管理系統可以根據目前的工作電流與SOC情況估算出剩余的續航時間。

　　結語

　　有些低功耗的儀表對電池的續航時間有特殊的要求，本設計針對續航時間較長的應用需求，通過硬件和軟件低功耗技術設計了一種應用于低功耗儀表的鋰電池管理系統，可以完成對4串8并32節低溫鋰電池組的管理功能。經某燃氣遠程監控儀表運行試驗，鋰電池管理系統各項功能性能良好，工作電流僅為145μA,遠遠低于現有的鋰電池智能管理系統。