高精度低功耗五串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

侯 鋼，曹 陽，胡越黎，楊文榮，鄧 曄

（ 1. 上海電動工具研究所，上海 200031；2. 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200072 ）

高精度低功耗五串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

侯 鋼1，曹 陽2，胡越黎2，楊文榮2，鄧 曄2

（ 1. 上海電動工具研究所，上海 200031；2. 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200072 ）

針對五串串聯(lián)鋰電池設(shè)計一款高精度低功耗的保護(hù)系統(tǒng)。采用STM8L151F3作為主控芯片，BQ76925作為模擬前端芯片，實現(xiàn)高精度過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)、高溫保護(hù)和低溫保護(hù)，同時具備低功耗以及電池充電均衡的特性。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)精度高，功耗低，能有效地對電池進(jìn)行保護(hù)。

鋰電池 電池保護(hù) 高精度 低功耗

0 引言

近年來，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。鋰電池具有容量大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，自問世以來已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等。

由于鋰離子電池能量密度高，與鎳鎘、鎳氫電池不同，難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數(shù)。所以鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。另外，在加熱、過充、過放、振動、擠壓等濫用條件下可能導(dǎo)致電池壽命縮短以致?lián)p壞，甚至?xí)l(fā)生著火、爆炸等事件。因此，對動力鋰電池進(jìn)行科學(xué)的管理是鋰電池應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。通用電池管理系統(tǒng)主要完成對電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行檢測并執(zhí)行保護(hù)措施。如果電池管理系統(tǒng)對電壓、電流等信號的采樣不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致誤保護(hù)或誤恢復(fù)現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的有效性。因此，高精度采樣是該系統(tǒng)的主要研究熱點(diǎn)。電池管理系統(tǒng)一般由電池直接供電，電池管理系統(tǒng)的低功耗管理能使電池的使用壽命更長。

本文綜合考慮電池的安全性和使用壽命，結(jié)合實際的用戶體驗，設(shè)計了一種五串鋰電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM8配合模擬前端BQ76925的方式實現(xiàn)了對電池電壓、電流、溫度的高精度采樣，針對不同的BQ76925芯片對采樣值進(jìn)行校正，從而使得過壓、欠壓、過流、過溫等保護(hù)有效精確，同時能在長時間待機(jī)情況下進(jìn)入低功耗模式，并有多種喚醒方式，能通過按鍵顯示電池當(dāng)前電量，在充電過程中對電池電壓進(jìn)行均衡。實驗測試表明，該系統(tǒng)能夠可靠高效地保護(hù)電池，延長電池使用壽命。

1 保護(hù)系統(tǒng)工作原理

電池管理系統(tǒng)具有過壓、欠壓、過流、過溫保護(hù)，低功耗管理，按鍵電量顯示，充電狀態(tài)電池均衡等功能，其工作原理如圖1所示。STM8通過I2C接口配置BQ76925內(nèi)部放大器的增益參數(shù)，BQ76925獲取五串鋰電池組上各節(jié)電池的電壓信號、電池充放電回路上的電流信號以及電池組的溫度信號，將信號放大處理后提供給STM8采樣。STM8根據(jù)采樣信號做出系統(tǒng)狀態(tài)判斷，并輸出相應(yīng)的MOS管控制信號和顯示信號。當(dāng)鋰電池長時間處于待機(jī)狀態(tài)，既不放電也不充電狀態(tài)時，STM8將BQ76925拉入休眠狀態(tài)，實現(xiàn)低功耗。用戶可使用按鍵、插入負(fù)載、插入充電器等方式通過喚醒電路將BQ76925從休眠狀態(tài)喚醒，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)采樣到任意一節(jié)電池電壓超過4.200 V，且持續(xù)時間超過1 s時，系統(tǒng)進(jìn)入過充電狀態(tài)，此時STM8關(guān)閉充電MOS管，當(dāng)所有電池電壓均低于4.100 V時退出過充電狀態(tài)，重新打開充電MOS管。當(dāng)任意一節(jié)電池電壓低于2.900 V，且持續(xù)時間超過1 s時，系統(tǒng)進(jìn)入過放電狀態(tài)，此時STM8關(guān)閉放電MOS管，并將BQ76925拉入休眠狀態(tài)。當(dāng)采樣到的主回路電流超過過流保護(hù)閾值20 A、50 A、70 A，且分別持續(xù)600 ms、200 ms、60 ms，系統(tǒng)進(jìn)入過流狀態(tài)。當(dāng)按下按鍵，系統(tǒng)可從低功耗模式喚醒并根據(jù)電池電壓顯示當(dāng)前電池電量。

2 保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1保護(hù)報警功能

TI公司的BQ76925內(nèi)置輸入多路選擇器、電平位移器和計數(shù)器、1.5/3.0 V低漂移基準(zhǔn)電壓、可變增益電流傳感放大器、可開關(guān)電熱調(diào)節(jié)器偏壓輸出、含動態(tài)可調(diào)閾值的過流比較器以及可控電池均衡MOSFET。它能夠?qū)喂?jié)電池電壓、電流、電池溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號提供給STM8采樣。而STM8可通過I2C接口對BQ76925內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，從而控制電池電壓的輸出、電流傳感放大器的增益、過流比較器的閾值、均衡MOSFET的開斷。

系統(tǒng)采樣硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。BQ96925內(nèi)置的3.3 V線性穩(wěn)壓源給STM8供電，并作為STM8的ADC參考電壓。五串電池的端電壓分別接入BQ76925，可由STM8通過I2C接口配置選擇輸出到VCOUT引腳的電池電壓。電流感應(yīng)電阻上的電壓通過BQ76925內(nèi)部的傳感放大器放大后在VIOUT引腳上輸出，反映充放電回路中的電流。引腳VTB輸出3.3 V，外接分壓熱敏電阻可提供溫度信號采樣。VREF引腳輸出3.0 V低漂移基準(zhǔn)電壓，由STM8采樣可對ADC的參考電壓3.3 V進(jìn)行校準(zhǔn)。ALERT引腳是BQ76925內(nèi)置過流比較器的輸出，當(dāng)SENSEP和SENSEN兩端電壓超過一定閾值時，ALERT端輸出低電平，接入STM8的外部中斷引腳可以對過流產(chǎn)生迅速的反應(yīng)，即關(guān)斷放電或充電MOS管。

圖2 系統(tǒng)采樣硬件結(jié)構(gòu)圖

STM8根據(jù)采樣到的電壓、電流、溫度信號判斷是否出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、過溫等故障，并在出現(xiàn)故障時關(guān)閉相應(yīng)的MOS管。同時，LED顯示各自的報警狀態(tài)，此后當(dāng)電壓、電流、溫度滿足恢復(fù)條件時重新打開MOS管并清除報警顯示。

2.2自動喚醒功能

當(dāng)電池出現(xiàn)欠壓故障或長時間未使用時，STM8會向BQ76925發(fā)送sleep命令，此時BQ76925將僅保留ALERT端的高電平喚醒功能而將其他功能全部關(guān)閉，包括給STM8供電的3.3 V電壓，這樣整個系統(tǒng)進(jìn)入了低功耗狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計了能自動將BQ76925喚醒的功能，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動喚醒硬件結(jié)構(gòu)圖

自動喚醒功能包含三種方式：按鍵喚醒、充電器插入喚醒、負(fù)載插入喚醒。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)時，BQ76925提供給STM8的3.3 V供電電壓不工作，因此放電MOS管和充電MOS管都處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)按鍵按下時，來自于電池的高電壓驅(qū)動NMOS管M2打開，將PMOS管M1柵端的信號拉低，此時電池的高電壓可以拉高BQ76925的ALERT引腳，從而喚醒BQ76925，實現(xiàn)按鍵喚醒。當(dāng)插入充電器時，由于充電器電壓比電池電壓高，且充電器和電池正極相連，故電池的負(fù)極電勢要比充電器負(fù)極電勢高。這樣會打開NMOS管M3，將PMOS管M1柵端的信號拉低，實現(xiàn)充電器插入喚醒。當(dāng)插入負(fù)載時，由于負(fù)載阻抗較小，且放電MOS管此時處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載會將PACK-端上的電壓拉高，從而打開NMOS管M4，拉低PMOS管M1柵端的信號，實現(xiàn)負(fù)載插入喚醒。

3 高精度采樣

圖4 增益誤差和偏置誤差

單片機(jī)STM8L151F3中內(nèi)置的12位ADC能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的電壓信號采樣，但由于參考電壓的浮動以及BQ76925內(nèi)置的傳感放大器增益存在漂移誤差，對電池電壓、電流、溫度的采樣并不能達(dá)到很高的精度。產(chǎn)生的增益誤差和偏移誤差如圖4所示。本文使用BQ76925內(nèi)置的誤差修正系數(shù)來對采樣到的信號進(jìn)行修正，該修正系數(shù)在芯片生產(chǎn)時已保存到芯片內(nèi)部的EEPROM中，可通過I2C接口由STM8讀取并用來對采樣信號進(jìn)行增益和偏移修正。由于提供給STM8的ADC參考電壓并不穩(wěn)定，STM8還需要實時采樣BQ76925輸出的3.0 V低漂移基準(zhǔn)電壓來校準(zhǔn)ADC參考電壓。

4 軟件設(shè)計

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。上電復(fù)位后，首先初始化STM8配置，包括時鐘、I/O口、ADC、定時器、I2C接口的配置，再通過I2C接口初始化BQ76925配置，選擇Vref輸出3V基準(zhǔn)，設(shè)置電流傳感放大器的增益為4，電壓傳感放大器增益為0.6，電流比較器的閾值電壓為100 mV。完成初始化配置之后開啟定時器計數(shù)，每10 ms執(zhí)行一次操作，先判斷是否發(fā)生ALERT外部中斷，發(fā)生則說明產(chǎn)生過流，立即進(jìn)入電流保護(hù)子程序，而不會再對電壓或溫度進(jìn)行檢測。未發(fā)生過流的情況下，每100 ms STM8輪詢檢測一遍五串電池電壓，若發(fā)現(xiàn)電池電壓最大值與最小值之差超過20 mV，則開啟均衡措施，否則直接進(jìn)入電壓保護(hù)子程序。未發(fā)生過流的情況下，每1 000 ms STM8檢測一次溫度，并執(zhí)行溫度保護(hù)子程序。除了保護(hù)措施，軟件中還根據(jù)五節(jié)電池的電壓計算出電池的電量，并可通過按鍵產(chǎn)生的外部中斷在LED燈上顯示電量3 s。當(dāng)電池5 min內(nèi)既沒有充電也沒有放電，或電池進(jìn)入欠壓狀態(tài)時，STM8通過I2C接口將BQ76925拉入睡眠狀態(tài)，從而實現(xiàn)低功耗。

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

采用一組可調(diào)直流穩(wěn)壓電源和一組串聯(lián)電阻來模擬五串鋰電池的電壓，這樣可以通過調(diào)節(jié)加在串聯(lián)電阻上的總電壓來調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻中的最大電壓和最小電壓。測試方法如下：

1）過壓保護(hù)功能：用高精度電壓表測量串聯(lián)電阻中的最大電壓值，緩慢調(diào)高總電壓并注意觀察顯示模塊，發(fā)現(xiàn)過壓保護(hù)報警后立即停止調(diào)節(jié)，并記錄當(dāng)前最大電壓值。

2）欠壓保護(hù)功能：測量串聯(lián)電阻中的最小電壓值，并緩慢降低總電壓，出現(xiàn)欠壓保護(hù)報警后立即停止調(diào)節(jié)并記錄當(dāng)前最小電壓值。

3）過流保護(hù)功能：在BQ76925的SENSEP和SENSEN兩端外接100 mV的小電壓，以模擬流過5 mΩ采樣電阻的電流20 A，50 A和70 A則分別用250 mV、350 mV來模擬。用示波器同時觀察SENSEP上電壓和放電MOS管柵端電壓，并記錄保護(hù)延遲時間。

4）高溫保護(hù)功能：用溫度計測量熱敏電阻溫度，分別在充電和放電狀態(tài)下對熱敏電阻加熱，觀察充電MOS管和放電MOS管柵端上的信號。

5）低功耗管理功能：將系統(tǒng)靜置5 min后觀察BQ76925的V3P3端是否存在3.3 V電壓，電壓消失說明系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，分別使用按鍵、插入負(fù)載、插入充電器三種方式將系統(tǒng)激活。

6）電量顯示功能：按下按鍵，觀察電量顯示值，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻總電壓并觀察電量顯示值是否發(fā)生變化。

表1 實驗測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1所示。該結(jié)果說明系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行保護(hù)，且保護(hù)精度較高。系統(tǒng)靜置后能順利進(jìn)入低功耗模式，三種喚醒方式均可將其喚醒，按鍵后能持續(xù)顯示3 s電量值，電量值能根據(jù)電池電壓變化。

6 結(jié)論

本文介紹了五串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，給出了整體的設(shè)計方案和主要的流程圖，從軟件和硬件兩部分介紹該方案。此方案實現(xiàn)了對鋰電池的電壓、電流、溫度的保護(hù)，同時還具有高精度、低功耗、自動喚醒、電量顯示等特點(diǎn)，這更符合實際情況和客戶要求。使用該保護(hù)系統(tǒng)方案的鋰電池能有更長的使用壽命和更安全的使用環(huán)境，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Protection System Design for 5-Lithium Battery with High-precision and Low-power

Hou Gang1, Cao Yang2, Hu Yueli2, Yang Wenrong2, Deng Ye2
（1、Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China）
(2、Microelectronic R&D Center, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

This paper provides a design of five-Lithium battery in series protection system with high-precision and low-power. Using STM8L151F3 as its main control chip and BQ76925 as its anolog front end chip, this system provides high-precision overvoltage protection, undervoltage protection, overcurrent protection, short circuit protection, overtemperature protection and undertemperature protection. Meanwhile, it also possesses characteristics of low power and voltage balance during charging. The experimental results indicate that this system can protect the battery effectively with highprecision and low-power.

Lithium battery Battery protection High-precision Low-power

TM910.6

A

1674-2796（2014）03-0001-06

2014-04-10

侯鋼（1958—）男，碩士，高級工程師，主要從事電氣自動化及科研管理工作。