解决方案
低温智能锂电池管理系统设计方案
发布时间：
2016-04-23
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。该方案具有基本保护、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。
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。
1、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，如图1所示。
基于低功耗的考虑，设计中采用了许多低功耗器件，如处理器采用MSP430FG439低功耗单片机；电压基准采用REF3325，该基准电源的功耗极低仅3.9μA；运放用了工作电流仅1.5μA的LT1495；数字电位器采用了静态电流低至50nA的AD5165等。对工作电流较大的间歇性工作电路增加了电源管理电路，以降低能耗。低温电池组的额定电压为14.8V，由4组电芯串联而成，每组电芯包含8节单体电 芯，正常的工作电压为2.5~4.2V。
每个采集周期采集各组电芯的电压，处理器根据电压大小给保护执行电路发出指令，执行相应的保护动作。均衡电路用单片机和三极管实现，代替了均衡专用芯片。系统会把电压电流和温度的最值、电池已使用的时间、剩余电量和其他异常信息记录在存储设备内。处理器提供了TTL通信接口，现场的计算机可以通过一个TTLRS232转换模块读取存储设备中的日志。充电过程中为了防止MCU死机等异常而出现保护失效。增加了二级保护电路，若电压超出预设值，将会启动二级保护电路，熔断三端保险丝，阻止事故的发生。
2、硬件设计
2.1 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。
CH和DISCH在正常工作时置为低电平，此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态，DISCH置为高电平，此时Q2断开，Q3导通，将M2栅极电容的电荷迅速放电，使M2能瞬间关闭，完成保护。当出现充电过流或者过充电状态，将CH置为高电平，关闭M1。电路中MOSFET选用了IRF4310，该MOSFET导通电阻仅为7kΩ，通流能力可达140A。
CH和DISCH在正常工作时置为低电平，此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态，DISCH置为高电平，此时Q2断开，Q3导通，将M2栅极电容的电荷迅速放电，使M2能瞬间关闭，完成保护。当出现充电过流或者过充电状态，将CH置为高电平，关闭M1。电路中MOSFET选用了IRF4310，该MOSFET导通电阻仅为7kΩ，通流能力可达140A。
2.2 均衡电路和二级保护
图3（a）给出了某组电芯充电均衡电路的示意图，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3（b）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。（文章来源：元器件交易网）
