解決方案
低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)設計方案
發(fā)布時間：
2016-04-23
本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設計方案，對20Ah 4串8并的32節(jié)單體電芯進行管理。該方案具有基本保護、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該系統(tǒng)各項功能性能良好，達到了設計要求。
目前的電池管理系統(tǒng)大多為大容量電池組、短續(xù)航時間的應用而設計，這種管理系統(tǒng)服務的設備功耗大，電池的循環(huán)時間短，管理系統(tǒng)自身的功耗也不低，不適合在低功耗儀表場上使用。某燃氣遠程監(jiān)控儀表，平均系統(tǒng)電流僅為幾毫安，要求在低溫下連續(xù)運行6個月以上，為了滿足該工程的應用，本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統(tǒng)的設計方案，對20Ah 4串8并的32節(jié)單體電芯進行管理。具有基本保護、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該系統(tǒng)各項功能性能良好，達到了設計要求。
1、系統(tǒng)的總體結構
低溫鋰電池管理系統(tǒng)主要由基本保護電路、電量計、均衡電路、二級保護等幾個部分組成，如圖1所示。
基于低功耗的考慮，設計中采用了許多低功耗器件，如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機；電壓基準采用REF3325，該基準電源的功耗極低僅3.9μA；運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495；數字電位器采用了靜態(tài)電流低至50nA的AD5165等。對工作電流較大的間歇性工作電路增加了電源管理電路，以降低能耗。低溫電池組的額定電壓為14.8V，由4組電芯串聯(lián)而成，每組電芯包含8節(jié)單體電 芯，正常的工作電壓為2.5~4.2V。
每個采集周期采集各組電芯的電壓，處理器根據電壓大小給保護執(zhí)行電路發(fā)出指令，執(zhí)行相應的保護動作。均衡電路用單片機和三極管實現(xiàn)，代替了均衡專用芯片。系統(tǒng)會把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲設備內。處理器提供了TTL通信接口，現(xiàn)場的計算機可以通過一個TTLRS232轉換模塊讀取存儲設備中的日志。充電過程中為了防止MCU死機等異常而出現(xiàn)保護失效。增加了二級保護電路，若電壓超出預設值，將會啟動二級保護電路，熔斷三端保險絲，阻止事故的發(fā)生。
2、硬件設計
2.1 保護執(zhí)行電路
保護執(zhí)行電路是保護動作的執(zhí)行機構，CH是充電控制開關，DISCH是放電控制開關，通過控制CH和DISCH做出相應的保護動作，電路圖如圖2所示。
CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時M1和M2均導通。當出現(xiàn)放電過流或者過放電狀態(tài)，DISCH置為高電平，此時Q2斷開，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關閉，完成保護。當出現(xiàn)充電過流或者過充電狀態(tài)，將CH置為高電平，關閉M1。電路中MOSFET選用了IRF4310，該MOSFET導通電阻僅為7kΩ，通流能力可達140A。
CH和DISCH在正常工作時置為低電平，此時M1和M2均導通。當出現(xiàn)放電過流或者過放電狀態(tài)，DISCH置為高電平，此時Q2斷開，Q3導通，將M2柵極電容的電荷迅速放電，使M2能瞬間關閉，完成保護。當出現(xiàn)充電過流或者過充電狀態(tài)，將CH置為高電平，關閉M1。電路中MOSFET選用了IRF4310，該MOSFET導通電阻僅為7kΩ，通流能力可達140A。
2.2 均衡電路和二級保護
圖3（a）給出了某組電芯充電均衡電路的示意圖，充電均衡電路由4個該種單元串聯(lián)而成。由單片機采集ADV端電壓，可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2V，單片機控制腳BLA置為高電平，此時該組電芯被短路，充電電流流經R4給其他組電芯充電，由此保證各組電芯電量在充電完成后具有較好的一致性。二級保護是不可逆的，只有在非常危急的情況下才會啟動，電路如圖3（b）所示。BQ29411是一款靜態(tài)電流僅2μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V，OUT將輸出高電平，三端保險絲F3開始加熱，當溫度超過139℃時保險絲就會熔斷。（文章來源：元器件交易網）
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