李 圍，趙 勝，徐進(jìn)，聶 巍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于OZ3705的電池管理板設(shè)計(jì)

李 圍，趙 勝，徐進(jìn)，聶 巍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)鋰電池的實(shí)際使用需求，本文介紹了一種基于OZ3705電池管理芯片設(shè)計(jì)的低功耗電池管理板。本文詳細(xì)介紹了該電池管理板的芯片選擇、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際結(jié)果表明這種管理板電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低。另外，由于主要利用軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，該管理板利于進(jìn)行功能改進(jìn)。

OZ3705 電池管理板 低功耗

0 引言

出于能源和環(huán)境的考慮，新能源受到越來越多的關(guān)注，其中鋰電池作為一種安全又環(huán)保的電池受到很大重視[1]。但由于二次鋰電池自身的特性，過充、過放、高溫、短路等都會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大的影響，而且也會(huì)帶來很大的隱患。因此，在使用二次鋰電池時(shí)必須給電池組配上管理板，對(duì)鋰電池組進(jìn)行管理，從而保證鋰電池組的安全穩(wěn)定可靠，并延長電池的使用壽命[2]。目前，電池管理系統(tǒng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，對(duì)于鋰電池管理板的研究有很多。電池管理板在鋰電池工作過程中時(shí)刻監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，根據(jù)檢測(cè)到的電壓電流溫度情況控制回路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的管理[3-5]。

目前很多電池管理系統(tǒng)外部電路很多，使得管理板電路復(fù)雜，并且功耗較高，不適應(yīng)本管理板的設(shè)計(jì)需要。針對(duì)實(shí)際需求，本文利用OZ3705芯片集成均衡開關(guān)和高精度 12bitADC的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，功耗低且功能滿足要求的鋰電池管理板。

1 管理板功能架構(gòu)

本電池管理板主要用于四串三元鋰電池的保護(hù)和管理，通過管理板使得電池組能夠安全、穩(wěn)定、方便的使用。管理板主要的功能有：

1）電量指示功能和低壓報(bào)警功能。電池組在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和擱置狀態(tài)都具有電量指示和低壓報(bào)警功能。電量指示分為5格，充電時(shí)相應(yīng)電量指示燈會(huì)閃亮，低于當(dāng)前電量的指示燈長亮。在放電狀態(tài)和擱置狀態(tài)時(shí)，按下電量顯示開關(guān)，對(duì)應(yīng)的電量指示燈就會(huì)亮起一定時(shí)間。當(dāng)電池電壓低于一格電時(shí)，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，接入充電器開始充電后報(bào)警解除。

2）低壓保護(hù)功能：當(dāng)電池組電壓低于設(shè)定電壓時(shí)，電池組不能充放電。

3）高溫保護(hù)功能：當(dāng)檢測(cè)到溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，電池組會(huì)停止輸出，按鍵或切換負(fù)載會(huì)重新輸出。

4）短路保護(hù)功能：當(dāng)電池短路時(shí)電池組保護(hù)無輸出，短路解除后恢復(fù)。

5）充放電過流保護(hù)功能：當(dāng)充電或放電電流過大時(shí)，電池組保護(hù)，充電會(huì)停止，切換負(fù)載或按鍵恢復(fù)。

6）充電過壓保護(hù)功能：當(dāng)電池組中某個(gè)電芯電壓大于設(shè)定電壓時(shí)，電池組會(huì)過壓保護(hù)，充電就會(huì)停止。

7）放電欠壓保護(hù)功能：當(dāng)電池組放電至某個(gè)電芯電壓低于設(shè)定電壓時(shí)，電池組會(huì)停止放電。電池組接入充電，保護(hù)狀態(tài)解除。

8）充電均衡功能：在充電時(shí)當(dāng)任意兩個(gè)電芯的電壓差值超過設(shè)定值時(shí)，電池會(huì)通過電阻放電進(jìn)行均衡減小電壓差值。

2 管理板硬件設(shè)計(jì)

電池管理版主要由控制IC、電壓檢測(cè)電路、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC等組成。其中控制IC在電池包的狀態(tài)正常時(shí)控制 MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時(shí)，它立即控制 MOS管開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。通常情況下MOS開關(guān)有2個(gè)，一個(gè)控制充電一個(gè)控制放電。

本管理板的設(shè)計(jì)中采用一顆前端電池管理芯片和單片機(jī)結(jié)合的方式對(duì)整組電池進(jìn)行管理。前端IC主要采集電芯的電壓，電池包的溫度和回路電流，MCU通過I2C通訊獲得前端IC采集到的電池狀態(tài)，采取相應(yīng)的動(dòng)作控制充放電 MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電的控制。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電池管理芯片的選型

在本管理板的設(shè)計(jì)中，對(duì)于電量指示的要求很高，每格電量顯示準(zhǔn)確度必須滿足誤差小于5%，而且要求管理板的靜態(tài)功耗小于30 μA。為了滿足這些要求，并且考慮到簡化電路和成本的問題，在管理板的設(shè)計(jì)中前端電池管理芯片采用了美國凹凸電子公司的OZ3705。

OZ3705內(nèi)部集成了高精度AD采樣，是一個(gè)能夠支持 3-5串鋰電池的數(shù)字前端電池管理芯片。OZ3705過內(nèi)部集成的高精度12bitADC，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池包中每個(gè)電芯的電壓，同時(shí)也可以采集電池包的電流、溫度，并通過I2C通訊傳送給MCU，通過利用采集到的信息MCU就能做出相應(yīng)的動(dòng)作來保護(hù)電池。OZ3705集成一個(gè)3.3 V的差分線性穩(wěn)壓器，最大可輸出3mA的電流。休眠時(shí)靜態(tài)功耗小于15μA。同時(shí)集成均衡開關(guān)，斷線檢測(cè)，極大地簡化了電池管理方案的設(shè)計(jì)。同時(shí)芯片還集成了過流和短路檢測(cè)等功能，使得管理板在過流和短路時(shí)能夠迅速的動(dòng)作，縮短了管理板的響應(yīng)時(shí)間，從而提高了電池的安全性。

3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

管理板由前端管理芯片和附屬電路，MCU和功能電路組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1。由于前端管理芯片集成均衡開關(guān)和溫度保護(hù)，只需要很少的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)和電流均衡的目的。前端芯片采集電池的電壓、電流和溫度，然后通過I2C通訊傳給MCU。根據(jù)實(shí)際功能要求，MCU就可以控制充放電MOS實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)。通過控制前端芯片開啟均衡開關(guān)，實(shí)現(xiàn)均流。

由于管理板充放電同端，因此必須要求負(fù)載檢測(cè)電路用來分辨負(fù)載類型。在設(shè)計(jì)電路時(shí)把充電器和負(fù)載都認(rèn)為是負(fù)載，然后根據(jù)采樣電阻檢測(cè)到的電流方向來判斷處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，電流采樣通過前端芯片的電流采樣通道實(shí)現(xiàn)。MCU根據(jù)前端芯片傳遞的信息控制前端芯片均衡電路和溫度保護(hù)電路的動(dòng)作，并控制蜂鳴器電路、按鍵電路、MOS管控制電路和LED指示電路。為了增加溫度保護(hù)的可靠性，MCU也可以通過溫度傳感器檢測(cè)電池包的溫度，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中電池有三種工作狀態(tài)，即待機(jī)、充電和放電狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)，MCU休眠，此時(shí)電池處于低功耗狀態(tài)，充放電MOS管關(guān)閉。MCU被喚醒有三種情況，按鍵、接負(fù)載和接充電器。在待機(jī)和放電狀態(tài)，可以通過按鍵顯示電量。當(dāng)電池組接入負(fù)載，MCU就會(huì)檢測(cè)是否有電流流入，從而判斷是否進(jìn)入充電狀態(tài)，否則進(jìn)入放電狀態(tài)。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)功能需要設(shè)計(jì)了三個(gè)中斷點(diǎn)，即負(fù)載檢測(cè)中斷、按鍵中斷和定時(shí)器中斷。

在充電狀態(tài)，MCU根據(jù)前端芯片傳遞的信息，使充電 MOS常開，并顯示電量，直至充滿后進(jìn)入休眠。如果檢測(cè)到過壓、過流、短路、過溫等情況時(shí)會(huì)關(guān)閉充電 MOS停止充電并采取相應(yīng)的報(bào)警提示，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。在放電狀態(tài)，程序運(yùn)行過程和充電過程時(shí)一樣，只是對(duì)于電壓管理的參數(shù)設(shè)定不一樣。充電設(shè)定過壓，放電設(shè)定低壓和欠壓。MCU程序執(zhí)行按照順序邏輯實(shí)現(xiàn)，軟件工作流程圖如圖2。

在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，前端芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流和溫度狀態(tài)，然后通過I2C通訊傳遞給MCU，MCU根據(jù)電池的狀態(tài)按照程序設(shè)定的流程和參數(shù)做出相應(yīng)的處理，通過對(duì)管理板上相應(yīng)電路的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的控制，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。

圖1 管理板硬件設(shè)計(jì)框圖

5 結(jié)語

本文基于電池管理芯片 OZ3705，設(shè)計(jì)了一個(gè)由于四串鋰電池的管理板，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，管理板完全滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。并且，該管理板硬件結(jié)構(gòu)簡單，利用很小的尺寸完成很多的功能。由于大部分的功能使用軟件實(shí)現(xiàn)，本管理板能夠根據(jù)實(shí)際的需要調(diào)整管理板的功能，使得保護(hù)板的應(yīng)用范圍更廣。由于使用了OZ3705芯片，管理板具有很低的功耗，電池的容量利用率變得更高。

圖2 軟件工作流程圖

[1] 何夏. 電動(dòng)自行車鋰電池組均衡充放電保護(hù)板的開發(fā)設(shè)計(jì)[D]. 廣西大學(xué), 2013.

[2] 夏鯤, 季諾, 曹斯佳. 一種鋰電池組均衡充電保護(hù)板設(shè)計(jì)[J]. 電氣傳動(dòng), 2010, 40(12): 68-72.

[3] 盛寶棟. 鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 山東大學(xué), 2013.

[4] 唐濤. 鋰離子電池組管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 安徽大學(xué), 2015.

[5] 王保柱, 王倩, 陳書旺，等. 基于 MAX11068芯片的鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 40(5): 440-445.

OZ3705-base Design of the Batteries Management System

Li Wei, Zhao Sheng, Xu Jing, Nie Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

According to actual needs of a lithium battery pack, a battery management board with OZ3705 is presents. The chip selection, hardware design and software design of battery management board are introduced in detail in this paper. The practical results show that the circuit is simple in structure and low in power consumption. with various function of the board to realize by software, the board is easy to improvement.

OZ3705; battery management board; lower power consumption

TP274

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1003-4862（2017）02-0071-03

2016-08-01

李圍（1988-），男，研究生。研究方向：控制理論與控制工程。E-mail: liweiwuda0911@126.com