便攜設(shè)備的電池管理解決方案

　　本文介紹了一種構(gòu)成Smart Battery的基于X3100芯片的多串鋰電池管理系統(tǒng)。著重闡述了該系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計。本系統(tǒng)完成對各種參數(shù)的測量、管理和自動保護，完成幾十種命令參數(shù)的計算，并通過SMBus總線同HOST等交換。實際使用證明本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能完善、可靠，運行穩(wěn)定，可用于筆記本電腦、電動自行車及其他便攜儀器的智能電池模塊中。

　　關(guān)鍵詞： Smart Battery；X3100；電量平衡

　　電池管理的重要性已經(jīng)不言而喻。越來越多的產(chǎn)品正向便攜的方向發(fā)展，使用戶獲得空前的獨立。幾十年前，無繩電話最先為我們提供了在家中漫步的自由。而現(xiàn)在，便攜式可充電產(chǎn)品使我們在周游世界的同時，還能與家人保持聯(lián)系。越來越多的產(chǎn)品使用充電電池，而隨著產(chǎn)品體積的縮小，這些產(chǎn)品的復(fù)雜程度也在不斷提高。充電電池本身也在發(fā)生變化。電池制造商努力推出適應(yīng)快速變化的市場的新產(chǎn)品。電池電壓在增加，外形規(guī)格在改變，能量密度也在節(jié)節(jié)攀升。消費者對電池的了解也不斷深入，他們需要產(chǎn)品具有更大的靈活性、更長的運行時間、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年來一直致力于借助PIC(單片機簡化系統(tǒng)設(shè)計。目前，Microchip正將這方面的技術(shù)應(yīng)用到電池管理產(chǎn)品線上，以簡化并更好地管理充電系統(tǒng)。
方法

　　首先，我們將一個典型的電池管理系統(tǒng)劃分為四個模塊,如圖1所示，并在下面一一探討。

　　從圖1可以看出，電池管理子系統(tǒng)之間的信息交換可提高預(yù)見性和安全性，提供自適應(yīng)電源管理（更長運行時間），并優(yōu)化充電過程以恢復(fù)運行。

　　充電

　　基于二次電池的電池組不同于一次電池組，二次電池組在使用后需要充電，而不是像一次電池那樣會被丟棄。充電電路的種類和充電算法多種多樣，它們針對特定化學(xué)類型的電池，在其獨特的系統(tǒng)環(huán)境中為其適當?shù)爻潆姟３潆娖鞯奈恢靡矐?yīng)適當選擇。充電器是否是獨立單元：是座充還是通過轉(zhuǎn)換器的直充？充電器是集成在系統(tǒng)內(nèi)還是在電池組內(nèi)？其他重要的考慮因素包括充電時間、溫度范圍和噪聲要求。Microchip提供多種充電管理產(chǎn)品。公司提供用于單節(jié)或雙節(jié)鋰離子/聚合物電池組的線性充電器。線性充電器的輸出噪聲低，對那些收發(fā)語音和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)顯得非常重要。充電器產(chǎn)品的部件編號如表1所示。
---對需要高效率低功耗的設(shè)計，PS200開關(guān)模式充電控制器最高開關(guān)頻率可達1MHz。它包含為鋰電池、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。由于開關(guān)充電器的設(shè)計比較復(fù)雜，因此Microchip公司提供了軟件工具以指導(dǎo)設(shè)計人員進行IC的配置和電路圖的生成。對提供充電器產(chǎn)品的標準行業(yè)來說，另外一個解決方案是使用帶充電控制器的電量計IC。這可以利用PS501及一個由通用輸入/輸出信號控制的脈沖充電電路來實現(xiàn)。這種拓撲提供了一個非常緊湊而成本效益又高的解決方案。然而系統(tǒng)的充電部分是隔開的，Microchip擁有所需的算法來優(yōu)化充電，包括最大限度地提高充電能力、縮短充電時間，并使顧客達到最佳的滿意度。

　　保護

　　當使用鋰離子/聚合物電池時，必須提供保護功能，因為過充或過熱可引起火災(zāi)或爆炸。鉛酸電池或鎳電池無需保護，但也常常為其提供保護電路以防止電池損壞或退化。主保護電路的形式為專用電路，用以檢測是否發(fā)生了不安全狀況，并在檢測到不安全狀況時關(guān)閉電池組以避免損壞。二次保護電路防止電池在不安全狀況下繼續(xù)充電和/或放電。萬一主保護電路發(fā)生故障，可復(fù)位的二次電路即可提供后備保護。用戶還可另行增加保護級別，如化學(xué)熔絲，當其他級別的保護失效時，其可永久關(guān)閉電池組。專用安全IC通常用于主保護電路。對于二次保護和穩(wěn)定保護電路，電池管理IC是理想的選擇，這是由于它們不額外增加解決方案的成本。例如，用PS501電量計可監(jiān)控各節(jié)電池的電壓、電池組電壓、電流和溫度。通用輸入/輸出（GPIO）引腳具備強大的配置功能，可設(shè)置和復(fù)位任何可能的電量計條件。這種靈活性使電量計可監(jiān)控非常復(fù)雜的安全要求。

　　電量計量

　　電量計量不單是對流入流出電池組的電流進行監(jiān)控。精確的電量計量需要一個系統(tǒng)方法，綜合考慮典型的使用方式、環(huán)境和客戶期望。理想狀況下，電池管理IC可向用戶提供無縫、無憂的操作，同時向系統(tǒng)提供所需信息，以便其做出智能化選擇從而提高系統(tǒng)性能。智能化電量計量算法可以延長系統(tǒng)運行時間和電池壽命，并通過精確檢測滿充和滿放點來提供額外的安全。它們還可探測和避免電池失衡和過熱等狀況。這些算法可根據(jù)系統(tǒng)狀況來調(diào)整，并可以減緩電池的老化。它們運用可配置的電池模型來確保正確計算自放電和充電所造成的損耗。這些算法可由客戶定制，這樣用戶只接受相關(guān)信息，而不必擔心和煩惱會發(fā)生可導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的意外關(guān)機。Microchip的電量計產(chǎn)品具備增強功能，使得電量計量更加可靠。

　　系統(tǒng)意外關(guān)機是使用便攜設(shè)備時最令人不快的事情之一，大多數(shù)用戶應(yīng)有同感。它輕則是件討厭之事，重則會引起重要數(shù)據(jù)丟失和時間及金錢的重大損失。意外關(guān)機一般發(fā)生于電池電壓降到支持系統(tǒng)所需的水平以下。當負載增加時，電池電壓會大幅度降低，尤其是放電行將結(jié)束時，這時放電曲線的斜率增加。為避免意外關(guān)機，Microchip使用了一種依據(jù)系統(tǒng)關(guān)機時能量需求信息的算法，如圖2所示。電量計自動選擇適當?shù)年P(guān)機點，以保證有足夠的剩余能量向用戶發(fā)出警示和保存數(shù)據(jù)。隨著時間的推移，關(guān)機點也會變化。隨著電池老化，滿充容量下降，電池放電的電壓曲線也發(fā)生改變。老化算法可調(diào)整關(guān)機點以確保能量不會隨著電池老化而被浪費。

　　安全

　　帶有可拆卸電池組的系統(tǒng)應(yīng)采用安全措施，防范系統(tǒng)在設(shè)計不合理的電池驅(qū)動下工作。若系統(tǒng)采用非穩(wěn)態(tài)化學(xué)電池，過充或過放都可能造成不安全狀態(tài)。如果不依照制造商的要求而使用穩(wěn)態(tài)化學(xué)電池，可能導(dǎo)致其性能下降和壽命縮短。目前所使用的是簡單的機械屏障，如采用獨特的外形規(guī)格或連接器，以及從電池讀取標志位。但可惜的是，這些安全措施很容易被攻破。我們真正需要的是一種靈活的系統(tǒng)級解決方案，既可確保用戶安全、提高系統(tǒng)性能，又能提供長期的可靠性。

　　Microchip為電池驗證提供了一種很好的解決方案，即KEELOQ加密算法。這種壓縮的64位編碼算法可為各種應(yīng)用提供經(jīng)業(yè)界證明的安全性。主機和外設(shè)都需要具備KEELOQ算法的硬件。今天，KEELOQ算法已被應(yīng)用于各種安全系統(tǒng)中，如無鑰門禁系統(tǒng)（主要應(yīng)用于汽車行業(yè)）。當使用KEELOQ技術(shù)進行電池驗證時，系統(tǒng)是主機，而電池是外設(shè)。系統(tǒng)存儲著制造商代碼和一個隨機數(shù)發(fā)生器。當電池制成時，生成一個唯一的序列號和密鑰并存儲在內(nèi)存中，而且不會被改變。當電池與系統(tǒng)相連時，系統(tǒng)會請求一個序列號并發(fā)送一個32位質(zhì)詢。電池會提供相應(yīng)的序列號，并給予一個32位的響應(yīng)。由于電池管理系統(tǒng)種類繁多，Microchip在其電池管理產(chǎn)品和許多PIC單片機產(chǎn)品中都采用了KEELOQ技術(shù)。當在電池組中使用Microchip電量計時，無需額外的硬件即可使系統(tǒng)具備安全功能。如果電池組中沒有電量計，可以使用PIC單片機作為KEELOQ外設(shè)硬件。支持KEELOQ技術(shù)的主機硬件包括處理器、電量計和充電器。

　　計劃與分區(qū)

　　當設(shè)計一個采用二次電池作為電源的應(yīng)用時，在產(chǎn)品設(shè)計階段就進行充電系統(tǒng)的計劃至關(guān)重要。這個問題常常在系統(tǒng)開發(fā)后期才引起重視，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能低下，因為此時必須要做出很多妥協(xié)。分區(qū)很重要，因為每個模塊在充電系統(tǒng)中的位置往往會影響IC和電路的選擇，還會影響這些模塊如何互動。初期計劃的內(nèi)容包括列明電池電源的系統(tǒng)需求。在選擇電池化學(xué)類型時，實際尺寸、重量要求、運行時間和存儲溫度范圍等指標都很重要。表2將最常見的化學(xué)電池作了小結(jié)。

　　決定電池組配置的因素有：最?。畲蠛蜆朔Q電壓值、充電電流、放電電流以及滿足運行時要求的充電容量。絕大多數(shù)系統(tǒng)都需要充電，但是也有少數(shù)特殊系統(tǒng)例外。充電器是置于系統(tǒng)中、電池組中還是系統(tǒng)外也是一項重要的考慮事項。嵌入式電池可以將充電器置于系統(tǒng)中，但對于可拆卸電池組來說就不方便了，尤其是當用戶擁有多個電池組時。有些設(shè)備會同時具備系統(tǒng)內(nèi)置充電器和一個可選用的外置充電器。將充電器內(nèi)置于電池組中可以使電池組在系統(tǒng)內(nèi)外都可以充電。電池和系統(tǒng)的要求決定了充電器的拓撲。表3所示為兩種常用充電器在幾個重要方面的比較。

　　接下來，討論是否需要電量計量。為了延長電池組壽命，電量計量可為系統(tǒng)提供精確的電池信息和總體工作情況。它能實現(xiàn)動態(tài)電源管理，應(yīng)成為一個好的電池管理系統(tǒng)的核心。這其中的一個重要因素是電量計和系統(tǒng)之間采用什么樣的通訊接口來交換信息。如果系統(tǒng)的其他部分已經(jīng)采用了某種通訊協(xié)議，建議采用相同的協(xié)議與電量計進行通訊。如果電池組是可拆卸的，電量計是置于系統(tǒng)內(nèi)還是電池組內(nèi)則成為一個重要決擇。如果需要保存保修所需的歷史資料和使用信息，將電量計置于電池組內(nèi)是最佳選擇。對于有多個可拆卸電池組的系統(tǒng)，電量計內(nèi)置于系統(tǒng)中無法記錄上述信息。另一個重要的考慮因素是電池信息是包含在系統(tǒng)顯示內(nèi)容中還是會單獨顯示，或者兩者都有。有些可拆卸電池組包含一個小型充電狀態(tài)顯示器，因此不必將電池插入系統(tǒng)來查看剩余電量。最后，如果電池組有保護電路，那么是單獨的安全IC、電量計抑或兩者共同負責電池的二次保護？

　　按照電池供應(yīng)商的建議進行安全操作是非常重要的。如果電池具備驗證功能，系統(tǒng)對無法識別的電池會做何反應(yīng)？它可以將系統(tǒng)的某些部分（如充電部分）關(guān)閉，也可將整個系統(tǒng)斷電。電池管理系統(tǒng)的設(shè)計有多種選擇。應(yīng)認真考慮實現(xiàn)哪些電池管理模塊，以及每個模塊的功能在系統(tǒng)中如何劃分。提早制定計劃將有助于為系統(tǒng)打下良好的電源基礎(chǔ)。

　　優(yōu)化

　　為達到最佳系統(tǒng)性能，應(yīng)在優(yōu)化充電操作上花些心思。進行系統(tǒng)內(nèi)部測試對于發(fā)現(xiàn)并糾正可能降低系統(tǒng)性能和用戶體驗的缺陷，是很重要的。系統(tǒng)內(nèi)部測試包括：

　　*　　確保系統(tǒng)在預(yù)期的溫度和放電速率下達到性能要求。
　　*　　確定哪些是用戶需要的信息，并以一種全面而易于理解的方式顯示出來。

　　總結(jié)

　　電池提供的電源為系統(tǒng)帶來活力。好的電池管理對用戶來說應(yīng)該是“無縫”的。電池管理不佳將使產(chǎn)品成功成為泡影。作為系統(tǒng)如此重要的一個組成部分，電池管理應(yīng)該被充分了解，并提前計劃和進行優(yōu)化。采用Microchip的電池管理器件和算法，所有電池管理功能都可在不同的拓撲中實現(xiàn)。線性和開關(guān)充電器可用于在電池組外部充電。線性充電器僅支持鋰電池，而開關(guān)模式充電控制器含有為鋰離子、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。使用電量計IC可實現(xiàn)電池組內(nèi)置充電控制。Microchip的電量計IC包括多種算法，可精確進行鎳電池或鋰電池的電量計量、充電控制和冗余保護。