摘要本文主要介绍的智能化锂电池充电系统是专门为锂电池设计的高端技术解决方案。
该系统适用于锂离子、镍氢、铅酸蓄电池单体及整组进行实时监控、电池均衡、充放电电压、温度监测等，采用了电压均衡控制、超温保护等智能化技术，是功能强大、技术指标完善的动力电池充电管理系统[ 1]。
关键词：智能化锂电池恒流恒压充电系统SMBus1.1引言随着社会经济的迅速发展，移动电话、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品的普及，消费者对电池电能要求日渐提高；人们希望在获得大容量电能的同时, 能够尽量减轻重量, 提高整个电源系统的使用效率和寿命。
锂电池作为上世纪九十年代发展起来的一种新型电池[ 2], 因具有能量密度高、性能稳定、安全可靠和循环寿命长等一系列的优点，很快在便携式电子设备中获得广泛应用，更获得了广大消费者的青睐。
由此可见，设计一套高精度锂电池充电管理系统对于锂电池应用至关重要。
1 锂电池充放电原理锂电池主要由正极活性材料、易燃有机电解液和碳负极等组件构成[ 3]。
因此，锂电池的安全性能主要是由这些组件间的化学反应所决定的。
根据锂电池的结构特性，锂电池的最高充电电压应低于4.2 V[ 4]，不能过充，否则会因正极锂离子拿走太多，发生危险。
其充放电要求较高，一般采用专门的恒流恒压充电器进行充电。
通常恒流充电至设定值后转入恒压充电状态，当恒压充电至0.1 A以下时[ 5]，应立即停止充电。
锂电池的放电由于内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极[ 6]，以保证下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。
否则电池寿命会缩短，因此在放电时需要严格控制放电终止电压。
2 系统构成利用单片机系统和开关电源相结合, 我们就可以构造出一个智能化的锂离子、锂聚合物电池智能管理系统。
开关电源主功率回路负责将电能转化成电池充电所需要的形式, 同时应尽量提高效率, 减小电压电流纹波[ 7]。
单片机系统负责控制整个系统的运行, 包括充电机参考电压电流值的给定, 充电完毕或者保护状态时充电机的关闭, 根据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。
本系统采用Motorola68HC908单片微处理器（简称MCU）对4 节串联的18650型锂电池进行统一管理。
该MCU具有12 K闪速内存贮器，可在线擦写10万次。
具有14路A/D10位的信号采集口，两路增益可编程运算放大器，具有SMBus1.1接口和低功耗工作模式，可以方便实现多路模拟信号的采集和按SMBus1.1协议实现数据通信功能，另外该系列MCU在设计上具有完善的电磁兼容防护措施，具有抗干扰能力强，可靠性高的特点，可广泛应用到电力电子、汽车控制、及军工领域,可以实现对镍氢电池、镉镍电池、锂电池的智能控制，满足智能化电池的设计使用需求[ 8]。
系统构成原理框图如图1所示：图1系统构成原理框图2.1 智能电池的功能在本方案中，通过MCU与电池组互连的方式使智能电池主要具有以下功能：2.1.1 供电功能当智能电池与用电器对接时，将自动唤醒MCU控制电池给用电器供电。
另外也可与智能化充电机、手摇发电机一起为用电器浮充供电。
2.1.2 充电功能通过智能充电器给智能电池充电，它们通过SMBus1.1总线互连进行信息交换。
锂离子电池充电一般分两个阶段，首先进行恒流充电，当电池电压达到一定值时改为恒压充电。
因此MCU要不断的监测电池组电压，实现对充电电压的控制。
2.1.3 通信功能电池与用电器、智能化充电机能够相互传送各自所需的固定信息、动态信息及告警信息。
其中固定信息包括：电池厂商信息（生产厂家、生产日期、生产批号）、电池的化学成份、额定电压、额定容量、规范信息、名称等信息。
动态信息包括：剩余容量、满充容量、电池模式、温度、温升、充电电压、充电电流、循环次数、剩余工作时间、电池状态等信息。
另外智能电池还具有剩余容量LED显示、自动保护等功能。
3 智能化控制电路的选择[ 9]控制电路不仅要完成电路保护, 温度保护等功能,还要控制整个系统的正常运行[ 10]。
包括充电时参考电压和参考电流的给定, 整个充电过程的控制和结束充电过程的判断;放电电流的监控, 停止放电的条件判断等[ 11]。
目前电池实现智能化的途径有两种[ 12]，一种是采用专用的集成电路来实现；另一种则采用集成了模拟模块的单片机来实现。
专用集成电路的方案主要有以下缺点：只针对一种电池和一类电池的特性，电气接口和制式不统一，有的专用集成电路已跟不上电池技术的发展。
综合考虑,本文采用单片机方案，通过使用开关模式的电源来提供电池充电所需要的电压和电流，并且应用单片机和一系列周边电路来实现充放电的控制和对电池的保护功能。
4单片机控制[ 13]及保护系统的设计在整个智能管理系统中, 单片机起着非常重要的作用。
它必须能够根据电压、电流采样,判断电池目前所处的状态; 针对不同的状态, 决定允许哪些操作, 禁止哪些操作, 并通过液晶显示告知用户; 在电池状态不正常时, 它也应该能够及时发现并且通过报警手段提醒操作人员的注意。
图2为电池组部分及其控制电路的示意图。
由于电池电压不可能完全放完, 因此单片机通过电池组的端压稳压后供电。
电池为串联结构, 在电池的最负端接一个阻值很小的电流采样电阻, 由于电池组既可以充电也可以放电, 因此电流采样电阻上的电压可正可负,需要有一个绝对值[ 14]放大电路来放大正负电压。
图2电池组电路示意图4.1 均衡保护电路的设计锂离子电池充放电过程中需监测每节电池的电压。
因为在同一电流充放电中串联的4 节电池的电压升降可能不会完全相同，这将会导致某一电池的过冲或过放，因此要增加电池均衡电路，使4 节串联的电池电压大小在一定误差范围内保持时刻一致。
在本方案中，利用MCU的I/O口来控制运算放大器，使电压变化较快的电池通过三极管[ 15]短暂充放电来完成。
4.1.1 保护开关的设计保护开关选择功率MOS管作为充电和放电保护开关，MOS管选择为IRF4905。
IRF4905S 导通电阻为5 毫欧，电流为60 A。
通过MCU的I/O口来控制MOS管的导通和截止。
由于I/O 口的功率有限，因此本系统中在I/O口和MOS管中增加了三极管驱动电路。
5 功能方案5.1 电池保护管理智能电池管理电路在电池的使用过程中，实时监控电池的电流、电压、温度、容量。
智能电池管理系统通过计算，对锂离子电池实现下列保护：(1)充电时，当总容量超过电池规定的最大容量，充电过程中温升大于3o C/2min，充电温度≤ -20o C、≥+55o C，向智能化充电机提供告警信息，并自动切断充电输入。
另外当有一个单体电池电压超过4.25 V，向智能化充电机发出告警信息，并能自动切断充电输入。
（2）放电时，智能管理电路通过对电压、电流测量及上次充电过程数据记录，防止电池过放电损坏。
当智能管理电路发现电池继续放电会造成过度放电时(单体电池电压≤2.5 V)，智能电池发出告警信息并关闭放电输出。
5.1.1 温度管理温度、温升对电池的影响是不能忽视的[16]。
在使用过程中异常的温升需特别对待，特别是充电过程中大于3o C/2min的异常温升需要采取保护措施。
另外温度对电池的剩余容量有显著的影响，温度是剩余容量计算、供电时间预测的重要的修正参数。
智能电池采用多点测温对电池进行温度管理，识别电池组温度，单体电池的异常温升，环境温度巨变。
智能电池按以下规则识别：（1）充电过程中2个测温点温度值相差不到2o C，连续的温度变化率相差不超过2o C，判别为电池组温度。
其它智能设备读取的电池温度为所有测温点的平均值。
（2）充电过程中在电池充电容量加上起始剩余容量之和大于70%额定容量时有一个测温点的温度变化率超过3o C/2min，判别为充电异常温升。
（3）智能电池被充电唤醒后电池组温度（平均温度）变化率超过3o C/2min需试验确定，判别为环境温度巨变。
智能电池在充电的过程中，环境温度在低于电池温度-20o C情况下电池组不允许充电，-20o C~+10o C不允许大电流充电，+10o C~+55o C允许大电流充电，在+75o C以上不允许充电。
5.2 系统软件设计智能电池管理系统软件是被写入到68HC908的FLASH中，经过电路处理电池的电流、电压、温度模拟信号转换成数据，根据这些数据结合电池的特性，完成系统功能方案指定的功能并且可以向与智能电池和电台提供相关电池的信息。
软件的硬件平台是68HC908单片机，软件的开发平台为68HC908集成开发环境。
程序结构框图如图3 所示：图3 程序结构框图另外，智能电池提供统一的智能接口，这些智能的接口可以通过SMBus1.1协议进行访问。
智能充电机、用电器可以采用相同的总线技术按照SMBus1.1规范的协议简单、方便地访问这些接口。
智能电池提供的这些接口能满足用电器及充电机向系统化、统一化、智能化方向发展要求。
用电器、充电机通过读取这些信息可以知道智能电池制造、使用的全过程信息及电池当前使用的状况。
6 结束语本文给出了一套智能电池管理系统开发方案，阐明了管理系统的功能和实现方法。
采用低功耗的设计思想，确保电路的自耗电满足电池存储的需求。
充分利用68HC908系列单片机丰富的对外接口控制功能，利用SMBus1.1总线为用电器和智能化充电机随时提供所需的各种信息。
本系统方便了用户，减少了操作，实现了智能化、一体化设计。
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