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超低功耗的鋰離子電池管理系統電路模塊設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年07月02日  

為了滿足某微功耗儀表的應用,提高安全性能,提出了一種超低功耗鋰離子電池管理系統的設計方法。采用雙向高端微電流檢測電路,結合開路電壓和電荷積分算法實現電量檢測。采用紐扣電池代替DC/DC降壓電路最大程度降低功耗。系統實現了基本保護、剩余電量檢測、故障記錄等功能。該鋰離子電池管理系統在儀表上進行驗證,結果表明具有良好的穩定性和可靠性,平均工作電流僅145μA。


保護執行電路:電路是保護動作的執行機構,CH是充電控制開關,DISCH是放電控制開關,通過控制CH和DISCH做出相應的保護動作,電路圖如圖所示。


CH和DISCH在正常工作時置為低電平,此時M1和M2均導通。當出現放電過流或者過放電狀態,DISCH置為高電平,此時Q2斷開,Q3導通,將M2柵極電容的電荷迅速放電,使M2能瞬間關閉,完成保護。當出現充電過流或者過充電狀態,將CH置為高電平,關閉M1。電路中MOSFET選用了IRF4310,該MOSFET導通電阻僅為7kΩ,通流能力可達140A。


雙向高端微電流檢測電路:在單電源供電的微小信號檢測應用中,由于采樣電壓很小,常受制于運放的供電軌而難以完成對小信號的檢測。本設計中采用了電流高端檢測電路,可以擺脫單電源供電對小信號檢測的限制。高端檢測電路采用了凌特公司LT1495超低功耗運放,電路示意圖見圖。


此電路可以實現對雙向小電流的采樣放大及判定電流的方向。R9為采樣電阻,考慮到短路時電流較大,其阻值一般很小,本方法中R9阻值設為25mΩ。當電池處于放電狀態,假定電流源、R9和LOAD組成的環路電流方向為順時針,此時DIR1為低電平,DIR2為高電平,M1截止,M2導通。流過R4的電流IR4=R9×IR9/R4,R5輸出端的電壓信號為VCUR=R9×IR9×R5/R4。當電池處于充電狀態時,回路電流為逆時針方向,此時由運放U1完成對電流信號的放大,DIR1為高電平,DIR2為低電平。當電池處于閑置狀態回路無電流時,DIR1和DIR2均為低電平。通過DIR1和DIR2的邏輯狀態可以判定鋰離子電池處于放電、充電或者是閑置狀態。


電源設計:采用了紐扣電池給系統供電的設計方法,省去了DC/DC和LDO芯片,降低了降壓芯片的損耗功耗,電路示意圖如圖所示。


圖中R為數字電位器,選用ADI公司的AD5165,它的調節范圍從0~100kΩ,靜態電流僅50nA。V1和V2為紐扣電池,選用日本精工的MS920SE,該型號支持最大800μA的最大電流放電。采集時間到來根據電池組電壓值CELL4+調整電位器的阻值,R=(R1+R2)[(CELL4+)-3.6V)],閉合開關W1和W2并采集pOW_DET的電壓,由此來判定紐扣電池的電量。若D1陽極電壓值小于充電閾值電壓,說明紐扣電池電壓過低,則斷開W2并調節數字電位器用適當的電流對紐扣電池進行充電。下一個采集周期到來重新調整數字電位器R,閉合W1和W2并采集pOW_DET的電壓,由此來判定紐扣電池的電量是否充滿,若D1陽極電壓大于充電完成閾值電壓,說明紐扣電池充滿,則斷開W1和W2。由此完成對紐扣電池的充電調節控制。3.3V數字電源經LC濾波轉換成模擬電源。


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