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低溫智能鋰電池管理系統設計方案

解決方案

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低溫智能鋰電池管理系統設計方案

  • 來源:
  • 發布時間:2016-04-23
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低溫智能鋰電池管理系統設計方案

【概要描述】

  • 來源:
  • 發布時間:2016-04-23 00:00
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詳情
        本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統的設計方案,對20Ah 4串8并的32節單體電芯進行管理。該方案具有基本保護、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該系統各項功能性能良好,達到了設計要求。
 
  目前的電池管理系統大多為大容量電池組、短續航時間的應用而設計,這種管理系統服務的設備功耗大,電池的循環時間短,管理系統自身的功耗也不低,不適合在低功耗儀表場上使用。某燃氣遠程監控儀表,平均系統電流僅為幾毫安,要求在低溫下連續運行6個月以上,為了滿足該工程的應用,本文介紹了一種低溫智能鋰電池管理系統的設計方案,對20Ah 4串8并的32節單體電芯進行管理。具有基本保護、電量計量、充電均衡和故障記錄功能。實驗驗證該系統各項功能性能良好,達到了設計要求。
 
  1、系統的總體結構
 
  低溫鋰電池管理系統主要由基本保護電路、電量計、均衡電路、二級保護等幾個部分組成,如圖1所示。
    
 
 
 
  基于低功耗的考慮,設計中采用了許多低功耗器件,如處理器采用MSP430FG439低功耗單片機;電壓基準采用REF3325,該基準電源的功耗極低僅3.9μA;運放用了工作電流僅1.5μA的LT1495;數字電位器采用了靜態電流低至50nA的AD5165等。對工作電流較大的間歇性工作電路增加了電源管理電路,以降低能耗。低溫電池組的額定電壓為14.8V,由4組電芯串聯而成,每組電芯包含8節單體電 芯,正常的工作電壓為2.5~4.2V。
 
  每個采集周期采集各組電芯的電壓,處理器根據電壓大小給保護執行電路發出指令,執行相應的保護動作。均衡電路用單片機和三極管實現,代替了均衡專用芯片。系統會把電壓電流和溫度的最值、電池已使用的時間、剩余電量和其他異常信息記錄在存儲設備內。處理器提供了TTL通信接口,現場的計算機可以通過一個TTLRS232轉換模塊讀取存儲設備中的日志。充電過程中為了防止MCU死機等異常而出現保護失效。增加了二級保護電路,若電壓超出預設值,將會啟動二級保護電路,熔斷三端保險絲,阻止事故的發生。
 
  2、硬件設計
 
  2.1 保護執行電路
 
  保護執行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2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。
 
  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。
 
  2.2 均衡電路和二級保護

 
  圖3(a)給出了某組電芯充電均衡電路的示意圖,充電均衡電路由4個該種單元串聯而成。由單片機采集ADV端電壓,可得到該組電芯電壓。充電過程中若電壓超過4.2V,單片機控制腳BLA置為高電平,此時該組電芯被短路,充電電流流經R4給其他組電芯充電,由此保證各組電芯電量在充電完成后具有較好的一致性。二級保護是不可逆的,只有在非常危急的情況下才會啟動,電路如圖3(b)所示。BQ29411是一款靜態電流僅2μA的二級保護芯片。任意一組電芯電壓超過4.4V,OUT將輸出高電平,三端保險絲F3開始加熱,當溫度超過139℃時保險絲就會熔斷。(文章來源:元器件交易網)
 
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