胡國民，周志景

(1.南京康尼機電股份有限公司 軌道交通事業(yè)總部，江蘇 南京210013;2.東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京210096)

鋰離子電池因具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應(yīng)等特點［1］，在電動吸塵器、電動自行車、割草機等產(chǎn)品中備受青睞。

由于生產(chǎn)工藝限制，鋰離子電池單體的存儲容量、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)即使在同一批電池中也會存在差異，且這種不一致會在使用過程中逐漸增加。鋰離子電池組中單體不一致會造成電池組無法發(fā)揮最大容量，而且會大幅縮短電池組的使用壽命。此外，由于鋰離子電池的特殊性，在使用中如果發(fā)生過充、過放或過流等問題，會對電池造成不可逆的損壞，甚至將造成安全事故［2］。因此，設(shè)計安全可靠的充放電管理系統(tǒng)是多節(jié)鋰離子電池組使用中的重要環(huán)節(jié)。

本文設(shè)計了一款基于TI電池管理芯片BQ77PL900的多節(jié)鋰離子電池組充放電管理系統(tǒng)，采用嵌入式開發(fā)技術(shù)與通訊技術(shù)，可實時監(jiān)測電池工作狀態(tài)，測量電池的電壓、電流及溫度，并保持電芯間電壓一致性等功能，實現(xiàn)對多節(jié)鋰電池的智能管理與保護。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)總體電路由CPU模塊、電池管理模塊、電池包、電源、RS232通訊接口、外圍設(shè)備和調(diào)試下載接口等模塊組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖1中，充電器通過電源接口在管理芯片控制下對電池包充電。充電采用恒流－恒壓(CC－CV)模式。充電過程中，電池禁止放電。

此外，電池管理芯片隨時監(jiān)測電池總電壓與單節(jié)電池電壓以避免過壓或欠壓，并實現(xiàn)電池組內(nèi)各電池電壓的平衡。

CPU通過下載口實現(xiàn)程序的調(diào)試、參數(shù)的讀取、程序的下載;通過RS232接口與上位機進行通訊，可實時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測。此外，主控電路板還帶有溫度傳感器、LED指示燈等外設(shè)。

2 關(guān)鍵器件選型

圖1中，CPU和電池管理芯片是系統(tǒng)的核心。

2.1 電池管理芯片選型

目前市場上的電池管理芯片較多，其中TI公司的BQ77PL900電池管理與保護器件可管理4～10節(jié)電池組，通過級聯(lián)可保護11～20節(jié)電池組，因而在多節(jié)電池組應(yīng)用中備受關(guān)注［3］。該器件可為電動自行車、電動踏板車、便攜式園藝工具以及不間斷電源提供簡化的電池組管理方案。

BQ77PL900不僅可以通過監(jiān)控單個電池電壓實施保護，還可在發(fā)生故障時，驅(qū)動2個N通道功率MOSFET來中斷電流。產(chǎn)品的故障檢測與恢復(fù)標準可在非易失性存儲器中全面編程，從而適用于所有類型的鋰離子電池系統(tǒng)。主要特性:低功耗工作，低靜態(tài)電流(典型值為50μA，判斷模式下為2.5μA)可以在閑置期減少電池放電，從而可較大限度地延長電池使用壽命。

2.2 CPU選型

考慮到充電設(shè)備產(chǎn)品一般對低功耗和通訊等要求較高，本設(shè)計選取PIC18LF4520芯片為CPU［4］，芯片主要特性如下:(1)低功耗，處于空閑模式時電流降至5.8μA(典型值)，處于休眠模式時電流降至0.1μA。(2)高灌/拉電流25 mA/25 mA。(3)最多13路通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)，可在休眠模式下進行轉(zhuǎn)換。(4)主同步串口(Master Synchronous Serial Port，MSSP)模塊支持3線SPI和I2C主從模式。(5)增強型可尋址USART模塊。支持RS－485、RS－232和LIN 1.2。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電流檢測及充、放電控制電路設(shè)計

BQ77PL900芯片帶有電流檢測功能，可測量電池回路的電流，并通過測量SRBGND與SRPGND兩腳間的電壓差，經(jīng)運算放大器進行電壓信號的放大，最后輸出電流值。如圖2所示。

圖2 電流檢測電路

BQ77PL900芯片通過CHG和DSG腳控制電池充、放電功能。當CHG輸出高電平時，充電MOSFET關(guān)斷，停止充電;當CHG輸出低電平時，充電MOSFET導(dǎo)通，進行充電。DSG、CHG開關(guān)工作原理，如圖3所示。

圖3 充放電控制電路

3.2 I2C通訊電路設(shè)計

PIC18LF4520帶有主從同步串口模塊，支持3線SPI(共4種模式)和I2C主從通訊模式。I2C通訊電路圖如圖4所示。

圖4 I2C通訊電路

圖中，PIC18F4520的SDATA(RC4)、SCLK(RC5)腳分別與BQ77PL900的SDATA與SCLK腳相連，通過4.7 kΩ的電阻上拉。

3.3 溫度檢測電路

考慮到電池包安裝與測量精度的要求，本電路采用NTC負溫度系數(shù)溫度傳感器。電路圖如圖5所示。

圖5 溫度檢測電路

使用TL431設(shè)計穩(wěn)壓源作為A/D轉(zhuǎn)換的參考高電壓，地電位作為參考低電壓，以提高測量精度。

3.4 RS232串口通訊電路

設(shè)計使用MAX3232E作為RS232串口通訊的電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)與上位機的通訊，如圖6所示。

圖6 RS232串口通訊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 總體軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)總體軟件設(shè)計使用有限狀態(tài)機編程思想［5］，其假設(shè)系統(tǒng)具有有限個狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是對輸入事件的響應(yīng)。系統(tǒng)在任何時刻始終處于某一確定的狀態(tài)上，且其行為確定。其總體實現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 總體軟件實現(xiàn)流程圖

程序啟動后，通過I2C通訊修改BQ77PL900的相關(guān)EEPROM寄存器，進行過壓閾值、欠壓閾值、過流/短路閾值設(shè)定。

閾值設(shè)定完成后進入狀態(tài)機程序。狀態(tài)機程序開始后，進行看門狗定時器的清0。清0完成后，系統(tǒng)進行當前狀態(tài)判斷。所有工作狀態(tài)可分為:充電狀態(tài)、故障狀態(tài)和空閑狀態(tài)。確定狀態(tài)后進入相應(yīng)狀態(tài)處理程序并執(zhí)行相應(yīng)處理動作。

4.2 充電管理軟件實現(xiàn)

處于充電狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測每節(jié)電池電壓、電池總電壓、電池工作溫度，定時器記錄充電時間。而系統(tǒng)進行電池平衡、過壓保護、充電完成指示、過溫保護等動作。其中，充電過程流程圖如圖8所示。

狀態(tài)機初次進入充電狀態(tài)時，初始化充電相關(guān)寄存器，以后則不再進行初始化以提高程序執(zhí)行速度。電池平衡過程包括:判斷電壓是否達到開始平衡電壓值;電芯間電壓是否平衡;若電池電壓不平衡，進行電池平衡過程。充電超過6小時表明電池已損壞，并停止充電。

4.3 故障狀態(tài)與空閑狀態(tài)軟件程序

系統(tǒng)進入故障狀態(tài)后，斷開充、放電開關(guān)，指示燈指示故障狀態(tài)?？臻e狀態(tài)時，斷開充、放電開關(guān)，關(guān)閉指示燈，PIC18LF4520進入休眠。每隔一段時間，系統(tǒng)喚醒控制芯片，進行狀態(tài)查詢，重新回到狀態(tài)機。

圖8 充電管理軟件流程圖

5 實驗測試

實驗時首先對過充、過放及過流等保護進行了測試驗證。另外，還測試了溫度保護、電池電壓檢測、上位機通訊、LED指示等諸多功能。下面重點介紹電池平衡的實驗測試，這也是多節(jié)電池組管理中的重要部分。

以10節(jié)電池作為實驗對象，通過測量10節(jié)電池的電壓來分析電池平衡結(jié)果。

首先，設(shè)置電池平衡開始電壓為單節(jié)電池電壓超過4.05 V;所有電池電壓在3.9～4.05 V之間時，不再進行電池平衡動作。實測數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見，所有電池電壓未達到4.05 V，此次實驗未進行電池平衡。

表1 充電測試1電壓數(shù)據(jù)

然后，重新設(shè)置電池平衡開始電壓為單節(jié)電池電壓超過4.1 V;所有電池電壓在4.0～4.1 V之間時，不進行電池平衡動作。實測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 充電測試2電壓數(shù)據(jù)

由表2可知，本次實驗進行了電池平衡，并成功控制所有電池電壓在4.0～4.1 V范圍之間，且電池最高電壓接近4.1 V。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于BQ77PL900的充放電管理系統(tǒng)，采用PIC18LF4520作為核心處理器，成功完成10節(jié)電池的充放電管理功能，包括電池電量平衡、過流/短路保護、欠壓保護、過溫保護等。并給出了系統(tǒng)詳細的軟、硬件設(shè)計及實驗測試，經(jīng)測試驗證，本系統(tǒng)完全達到了預(yù)期設(shè)計要求。同時該系統(tǒng)對多節(jié)鋰電池供電的電子產(chǎn)品設(shè)計也具有良好的參考價值。

［1］ 戴永年，楊斌，姚耀春，等.鋰離子電池的發(fā)展狀況［J］.電池，2005(3):193－195.

［2］ 陳玉紅，唐致遠，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機理研究［J］.化學(xué)進展，2006(6):823－831.

［3］ 盧林.電池管理設(shè)計及發(fā)展趨勢［J］.電子測試，2007(12):7－11.

［4］ 李學(xué)海.PIC單片機實用教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［5］ 徐衛(wèi)林，羅林.有限狀態(tài)機的可靠性設(shè)計研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(1):93－94.