设计方案：超低功耗的锂电池管理系统的实现

品慧电子讯本文提出的超低功耗锂电池管理系统的设计方案，安全性能得到了提高，同时也满足了微功耗仪表的应用。这种设计是将电荷积分算法核开路电压结合从而实现电量测量，采用了双向高端微电流检测电路。DC/DC降压电路被纽扣电池取代大大降低功耗，实现了系统的基本保护、故障记录、剩余电量检测的功能。

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。

硬件设计

1、均衡电路和二级保护

1、均衡电路和二级保护

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1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1：某组电芯充电均衡电路的示意图

2、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。

3、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。

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4所示。

图4：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、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5。

图5：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。

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。