摘 要

由于鋰電池本身固有特性，若長(zhǎng)期處于過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱等一些不穩(wěn)定狀態(tài)，其充放電次數(shù)會(huì)大大減少，本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)智能電池信息狀態(tài)采集和智能化管理的無(wú)縫對(duì)接，以延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電池的能量效率和運(yùn)行可靠性，為傳統(tǒng)鋰電池充放電管理這一技術(shù)問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】狀態(tài)機(jī) 電池保護(hù) 智能管理

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，電池，特別是鋰電池，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活之中，給人們帶來(lái)了無(wú)窮的便利。但是，目前很多電池在工作時(shí)僅僅只是提供了電源功能，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行智能化的監(jiān)控和管理，隨著電池的老化，過(guò)充、過(guò)放等使用情況的增加，很容易造成鋰電池失去儲(chǔ)能功能或壽命大幅減少，因此，對(duì)鋰電池的管理與監(jiān)測(cè)就顯得尤為迫切，本設(shè)計(jì)即為一個(gè)智能電池狀態(tài)采集與數(shù)據(jù)管理的二合一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電池的能量效率和運(yùn)行可靠性。

1 鋰電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由基于狀態(tài)機(jī)的控制模塊和電池計(jì)量與保護(hù)模塊構(gòu)成。前者主要通過(guò)狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行智能化的管理。后者包括對(duì)電芯電壓電流等采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果結(jié)合保護(hù)參數(shù)進(jìn)行決策，繼而通過(guò)關(guān)斷充放電開(kāi)關(guān)對(duì)電芯進(jìn)行保護(hù)。兩者之間以SMBUS的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，獲取電池的狀態(tài)量、告警數(shù)據(jù)等重要信息，并把這些信息以主動(dòng)上報(bào)（對(duì)于告警數(shù)據(jù)）或定時(shí)發(fā)送（對(duì)于狀態(tài)量數(shù)據(jù)）的方式跟上位機(jī)交互，讓上位機(jī)獲取電池的響應(yīng)狀態(tài)。同時(shí)，控制模塊可根據(jù)功能選項(xiàng)，控制電池計(jì)量與保護(hù)模塊及本身的功耗模式，達(dá)到最佳的節(jié)能方式。

2 鋰電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)分析

狀態(tài)分析完成對(duì)電池相關(guān)數(shù)據(jù)的提取、分析、存儲(chǔ)和上報(bào)等功能，以及對(duì)電池的實(shí)時(shí)保護(hù)。通過(guò)狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行智能化的管理。狀態(tài)機(jī)主要包括電池開(kāi)啟狀態(tài)、主控MCU喚醒狀態(tài)、狀態(tài)決策等待狀態(tài)、放電狀態(tài)、充電狀態(tài)、休閑狀態(tài)、低功耗狀態(tài)、電池壽命顯示狀態(tài)，通過(guò)按鍵信息的獲取和與智能電池采集模塊進(jìn)行交互，狀態(tài)之間可以有條件的進(jìn)行切換。7種狀態(tài)如下：

（1）低功耗狀態(tài)：狀態(tài)1，主控MCU停止工作，工作電流下降到幾十個(gè)微安；

（2）主控MCU喚醒狀態(tài)：狀態(tài)2，主控MCU通過(guò)按鍵從低功耗模式下喚醒，運(yùn)行在正常工作頻率；

（3）等待決策狀態(tài)：狀態(tài)3，通過(guò)與智能電池計(jì)量與保護(hù)模塊進(jìn)行信息采集，決策當(dāng)前電池處于充電、放電、還是休閑狀態(tài)；

（4）休閑狀態(tài)：狀態(tài)4，電池既不處于充電也不處于放電；

（5）充電狀態(tài)：狀態(tài)5，電池處于充電狀態(tài)；

（6）放電狀態(tài)：狀態(tài)6，電池處于放電狀態(tài)；

（7）電池壽命顯示狀態(tài)：狀態(tài)7，電池壽命顯示。

狀態(tài)流轉(zhuǎn)過(guò)程包括對(duì)電池的各種狀態(tài)切換均能實(shí)時(shí)的控制，對(duì)電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實(shí)時(shí)的響應(yīng)，并做出告警指示。通過(guò)與智能電池計(jì)量與保護(hù)模塊進(jìn)行信息交互，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的智能控制。包括電池的開(kāi)啟、電池的關(guān)閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示，如圖1所示。

2.2 基于狀態(tài)機(jī)的控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電池智能化管理的功能，分為工作時(shí)的任務(wù)和待機(jī)時(shí)的任務(wù)；

上電復(fù)位初始化，設(shè)置電池保護(hù)和計(jì)量模塊的相關(guān)參數(shù)，主要是用于計(jì)量的阻抗相關(guān)參數(shù)，電芯型號(hào)，電池保護(hù)相關(guān)的一些閾值， 在非低功耗狀態(tài)下，即狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6下，不同狀態(tài)之間的決策如圖2所示：

（1）每隔1秒鐘通過(guò)SMBUS總線從電池計(jì)量與保護(hù)模塊中采集電量信息數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)，告警數(shù)據(jù)，如有告警事件發(fā)生，主動(dòng)上報(bào)；采集到的數(shù)據(jù)存放在片上Ram空間，并每隔1秒鐘刷新一次，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)附加CRC校驗(yàn)碼，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

（2）每隔3秒主動(dòng)上報(bào)片上Ram空間中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)；

（3）響應(yīng)上位機(jī)的隨機(jī)召測(cè)數(shù)據(jù)命令；

（4）根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)顯示不同的狀態(tài)信息，電量或報(bào)警信息；記錄電池使用過(guò)程中，出現(xiàn)的狀況或報(bào)警信息；記錄電池最近使用的32次歷史紀(jì)錄，寫(xiě)入EEPROM；在充放電時(shí)，4個(gè)LED指示燈顯示當(dāng)前電池電量；

（5）參與上行接口參數(shù)校準(zhǔn)，并把校準(zhǔn)值寫(xiě)入EEPROM，該參數(shù)用于電池計(jì)量與保護(hù)模塊。

通過(guò)按鍵中斷（先短按電源按鍵一次，再長(zhǎng)按電源按鍵2秒以上）電池控制模塊主動(dòng)進(jìn)入低功耗，進(jìn)入低功耗之前設(shè)置計(jì)量使能IO無(wú)效，然后發(fā)送sleep命令給智能電池計(jì)量和保護(hù)模塊，讓其也進(jìn)入低功耗狀態(tài)；在低功耗狀態(tài)下，電池控制模塊完成以下功能：

利用定時(shí)器喚醒，判斷天數(shù)和電池電量，決定是否自放電；當(dāng)電池電量大于65%無(wú)任何操作（包括查看電量等操作）存儲(chǔ)10天后，電池可啟動(dòng)自放電至65%電量，以保護(hù)電池。

2.3 狀態(tài)機(jī)下電池電量計(jì)量與保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

電池的保護(hù)主要包含：電池充電溫度保護(hù)、電池充電過(guò)流保護(hù)、電池充電短路保護(hù)、電池放電短路保護(hù)、電池過(guò)放保護(hù)。對(duì)于任何一種保護(hù)，都采用如圖3所示的保護(hù)機(jī)制，電池計(jì)量與保護(hù)模塊通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度、剩余電量等狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保護(hù)電芯不受損害。以電池過(guò)放保護(hù)為例，Vtrip=3V為電池過(guò)放的觸發(fā)電壓，Vrecovery=3.1V為從電池過(guò)放恢復(fù)電壓。當(dāng)保護(hù)模塊監(jiān)測(cè)到電壓低于Vtrip，并且超過(guò)設(shè)定的某一時(shí)間常數(shù)后，啟動(dòng)電池過(guò)放保護(hù)，主要是關(guān)閉放電開(kāi)關(guān)，在之后的過(guò)程中，一旦監(jiān)測(cè)到電壓高于Vrecovery 并且維持設(shè)定的某一時(shí)間常數(shù)，就恢復(fù)放電。在這個(gè)過(guò)程中，有效的避免了放電電壓過(guò)低。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要通過(guò)狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行智能化的管理，控制模塊由7個(gè)狀態(tài)作為基本要素，各狀態(tài)之間精密聯(lián)系，在某一條件滿足的情況下，可以由某種狀態(tài)切換到相應(yīng)狀態(tài)，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能；計(jì)量與保護(hù)模塊對(duì)電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實(shí)時(shí)的響應(yīng)，并做出告警指示。通過(guò)與控制模塊進(jìn)行信息交互，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的智能控制。包括電池的開(kāi)啟、電池的關(guān)閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示。

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作者簡(jiǎn)介

李宇峰（1983-），男，湖南省岳陽(yáng)市人。講師。工學(xué)碩士。研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者單位

湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省長(zhǎng)沙市 410200endprint