基于可編程邏輯的便攜式設(shè)備多節(jié)鋰聚合物電池管理

1、基于可編程邏輯的便攜式設(shè)備多節(jié)鋰聚合物電池管理便攜式設(shè)備的便攜性是與電池的進(jìn)展休戚相關(guān)的，從最初的鉛酸電池、鎳鎘（ni-cd）電池進(jìn)展到鎳氫（ni-h）、鋰離子（li-ion）電池向來到最近的鋰聚合物（li-polymer）電池，能量密度逐步提高，移動(dòng)性能越來越強(qiáng)，電池的缺點(diǎn)也不斷被克服。本文就將介紹一個(gè)便攜式鋰聚合物電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)體是一個(gè)工業(yè)上用法的便攜式設(shè)備，采納的和其上的niosii處理器，并用法接口與電腦相銜接，面對(duì)的是大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。這個(gè)設(shè)備需要30v直流，所以方案用法4個(gè)1000mah鋰聚合物電池串聯(lián)的電池組；另外，出于防水防塵的考慮，對(duì)外只用法一個(gè)方

2、形的usb接口（usb b typesocket），這個(gè)usb口同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸和充電的功能。整體結(jié)構(gòu)1所示?？刂坪诵陌╢pga及其所連的接口、顯示，需要3.3v的低電壓，由高效率的dc/dc芯片從4芯鋰電池組挺直降壓得到。這個(gè)電壓很重要，所以需要保持穩(wěn)定且延續(xù)，除非電池組低電量或者過流庇護(hù)，否則此電壓向來供應(yīng)。圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要30v直流電壓，大約80ma左右，用法一個(gè)升壓dc/dc電路，這個(gè)電路由控制核心操縱，平常是不工作的，只在需要?jiǎng)幼髦伴_啟。充電用法外部20v電源，通過usb接口銜接。用法這種電源的考慮是為了舉行1c或0.5c大電流高速充電。因?yàn)榕c一般usb共用一個(gè)

3、端口，為了避開接入一般usb時(shí)進(jìn)入充電程序，需要一個(gè)電壓推斷電路舉行推斷。因?yàn)楹虾跣枰男酒鉀Q計(jì)劃市場上很難尋找，打算用法fpga的剩余規(guī)律資源來實(shí)現(xiàn)充電器的控制功能，添加少量的來輔助。這就要求對(duì)控制電路的供電不能中斷，電池組必需向來在線，并且電池負(fù)極需要向來與gnd銜接。電池電路1 電壓采樣最重要的部分就是電壓采樣電路的設(shè)計(jì)，要求精度高并且受溫度影響小。這個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電池電壓對(duì)于gnd而言是浮動(dòng)的。無數(shù)計(jì)劃實(shí)行了差分運(yùn)放轉(zhuǎn)換到對(duì)地電壓然后輸入專用舉行ad變換的計(jì)劃。但這個(gè)計(jì)劃因?yàn)橐肓瞬罘诌\(yùn)放，產(chǎn)生了許多問題。首先，電壓比較高，運(yùn)放很難找；第二，運(yùn)放的電源與輸入電壓用法同一個(gè)電源，這樣一

4、來就要求運(yùn)放需要軌到軌輸入的功能；再次，可能還需要一個(gè)負(fù)電源，用法dc/dc又引入了噪聲；另外，運(yùn)放及用法匹配的使得精度降低。圖2 rc充電電路為了盡量簡化電路，這里構(gòu)造了積分型的adc，將fpga定時(shí)的高精度轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量的高精度。這是一個(gè)容易的rc充電電路（見圖2）。其工作流程是：j1先閉合，釋放c1上的電荷；然后j1打開，由r1對(duì)c1舉行充電；電壓u1將c1上的電壓與參考電壓v2比較，當(dāng)c1電壓超過v2時(shí)輸出高電平。統(tǒng)計(jì)從j1打開到u1輸出高電平之間的時(shí)光，便可以確定v1的電壓大小?？梢灾庇^地看出，v1越高，這段時(shí)光越短。實(shí)際的電路3所示，注重這幅圖只畫出了第一個(gè)電池的測(cè)量電路。其中，r

5、1與c1便是積分用法的電阻與，q1是常用的p-，這里用來實(shí)現(xiàn)j1給電容放電的功能，u5同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)與電壓比較器雙重功能。x1是放電控制，來自fpga，x2是開關(guān)量輸出，去往fpga。電壓比較器選用的是美信公司的max921。圖3 實(shí)際取樣這個(gè)電路在靜態(tài)時(shí)僅僅消耗max921的4a電流和c1、q1、q2的漏電流，基本可以忽視不計(jì)，十分省電。這個(gè)電路另外一個(gè)特色是省掉了常常用法的光電耦合器，而用法電容c2代替。靜態(tài)時(shí)，c2兩端達(dá)到電壓平衡，不消耗電能，此時(shí)，x2電壓為0。u5輸出高電平常，由于c2兩端電壓不能瞬變，故x2電壓被提升。d1與d2兩個(gè)肖特基是起限幅作用的。認(rèn)真調(diào)節(jié)c2與r4的值就能

6、夠順當(dāng)?shù)貍鬟f開關(guān)量信息。2 平衡充電平衡充電是全部鋰電池組所需要的充電方式，但是無數(shù)小功率的應(yīng)用中實(shí)際是沒有平衡充電的，如大多數(shù)的筆記本電腦電池組，這樣做事實(shí)上對(duì)電池壽命的影響是相當(dāng)大的?，F(xiàn)有的均衡技術(shù)主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種辦法最大的問題就是控制起來很復(fù)雜?，F(xiàn)在無數(shù)專用芯片或者解決計(jì)劃用法的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實(shí)現(xiàn)的。這種方式中普通都是用法一個(gè)耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元彌漫或者降低某些單元的電壓。這種計(jì)劃的缺陷在于穩(wěn)壓二極管上的耗能太大，造成的發(fā)熱量是不能忍受的。圖4 實(shí)際

7、充電方式圖實(shí)際用法的充電方式4所示，固然，這只是一個(gè)暗示圖，不包括電流檢測(cè)電路（輸入到之間）和電壓檢測(cè)電路（變壓器次級(jí)繞組）。其中，開關(guān)陣列是用功率mosfet實(shí)現(xiàn)。這種做法，管子都工作在開關(guān)狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復(fù)雜，因?yàn)橐ヅ涿總€(gè)電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采納t1變壓器作為隔離，由于開關(guān)頻率可以做得很高，t1變壓器的體積很小。囫圇充電電路工作在開關(guān)狀態(tài)，不再添加任何的控制模塊，由fpga挺直控制，電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)電路的輸出也轉(zhuǎn)化為開關(guān)量挺直傳給fpga。充電分為四個(gè)步驟：a) 檢測(cè)是否有電池單體低于2.5v，如有，用法5%的占空比對(duì)低于2.5v的電池輪番充電，使其升壓到2.5v；b) 打開j1和j8，對(duì)整體舉行大電流充電，同時(shí)測(cè)量電池單體的電壓，假如有電池單體達(dá)到4.2v，進(jìn)入下個(gè)步驟；c) 逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2v，直到占空比總結(jié)多節(jié)鋰電池組成電池組是現(xiàn)在便攜式較大功率設(shè)備的必定挑選，如何管理和維護(hù)這個(gè)電池組使其高效長壽命地