摘 要

由于鋰電池本身固有特性，若長期處于過充、過放、過熱等一些不穩(wěn)定狀態(tài)，其充放電次數(shù)會大大減少，本設計采用狀態(tài)機的方法實現(xiàn)智能電池信息狀態(tài)采集和智能化管理的無縫對接，以延長電池使用壽命、提高電池的能量效率和運行可靠性，為傳統(tǒng)鋰電池充放電管理這一技術問題提供一定的參考價值。

【關鍵詞】狀態(tài)機 電池保護 智能管理

隨著經(jīng)濟技術的發(fā)展，電池，特別是鋰電池，已經(jīng)廣泛應用于人們的生產(chǎn)和生活之中，給人們帶來了無窮的便利。但是，目前很多電池在工作時僅僅只是提供了電源功能，并沒有對其進行智能化的監(jiān)控和管理，隨著電池的老化，過充、過放等使用情況的增加，很容易造成鋰電池失去儲能功能或壽命大幅減少，因此，對鋰電池的管理與監(jiān)測就顯得尤為迫切，本設計即為一個智能電池狀態(tài)采集與數(shù)據(jù)管理的二合一監(jiān)測系統(tǒng)，用以延長電池使用壽命、提高電池的能量效率和運行可靠性。

1 鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)主要由基于狀態(tài)機的控制模塊和電池計量與保護模塊構成。前者主要通過狀態(tài)機的流轉對整個電池進行智能化的管理。后者包括對電芯電壓電流等采樣數(shù)據(jù)進行實時計算，對計算結果結合保護參數(shù)進行決策，繼而通過關斷充放電開關對電芯進行保護。兩者之間以SMBUS的方式進行實時通信，獲取電池的狀態(tài)量、告警數(shù)據(jù)等重要信息，并把這些信息以主動上報（對于告警數(shù)據(jù)）或定時發(fā)送（對于狀態(tài)量數(shù)據(jù)）的方式跟上位機交互，讓上位機獲取電池的響應狀態(tài)。同時，控制模塊可根據(jù)功能選項，控制電池計量與保護模塊及本身的功耗模式，達到最佳的節(jié)能方式。

2 鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)機設計

2.1 鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)分析

狀態(tài)分析完成對電池相關數(shù)據(jù)的提取、分析、存儲和上報等功能，以及對電池的實時保護。通過狀態(tài)機的流轉對整個電池進行智能化的管理。狀態(tài)機主要包括電池開啟狀態(tài)、主控MCU喚醒狀態(tài)、狀態(tài)決策等待狀態(tài)、放電狀態(tài)、充電狀態(tài)、休閑狀態(tài)、低功耗狀態(tài)、電池壽命顯示狀態(tài)，通過按鍵信息的獲取和與智能電池采集模塊進行交互，狀態(tài)之間可以有條件的進行切換。7種狀態(tài)如下：

（1）低功耗狀態(tài)：狀態(tài)1，主控MCU停止工作，工作電流下降到幾十個微安；

（2）主控MCU喚醒狀態(tài)：狀態(tài)2，主控MCU通過按鍵從低功耗模式下喚醒，運行在正常工作頻率；

（3）等待決策狀態(tài)：狀態(tài)3，通過與智能電池計量與保護模塊進行信息采集，決策當前電池處于充電、放電、還是休閑狀態(tài)；

（4）休閑狀態(tài)：狀態(tài)4，電池既不處于充電也不處于放電；

（5）充電狀態(tài)：狀態(tài)5，電池處于充電狀態(tài)；

（6）放電狀態(tài)：狀態(tài)6，電池處于放電狀態(tài)；

（7）電池壽命顯示狀態(tài)：狀態(tài)7，電池壽命顯示。

狀態(tài)流轉過程包括對電池的各種狀態(tài)切換均能實時的控制，對電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實時的響應，并做出告警指示。通過與智能電池計量與保護模塊進行信息交互，完成對整個系統(tǒng)的智能控制。包括電池的開啟、電池的關閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時能夠實時顯示當前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示，如圖1所示。

2.2 基于狀態(tài)機的控制模塊設計

控制模塊實現(xiàn)對電池智能化管理的功能，分為工作時的任務和待機時的任務；

上電復位初始化，設置電池保護和計量模塊的相關參數(shù)，主要是用于計量的阻抗相關參數(shù)，電芯型號，電池保護相關的一些閾值， 在非低功耗狀態(tài)下，即狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6下，不同狀態(tài)之間的決策如圖2所示：

（1）每隔1秒鐘通過SMBUS總線從電池計量與保護模塊中采集電量信息數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)，告警數(shù)據(jù)，如有告警事件發(fā)生，主動上報；采集到的數(shù)據(jù)存放在片上Ram空間，并每隔1秒鐘刷新一次，每個數(shù)據(jù)存儲時附加CRC校驗碼，確保數(shù)據(jù)的準確性；

（2）每隔3秒主動上報片上Ram空間中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)；

（3）響應上位機的隨機召測數(shù)據(jù)命令；

（4）根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)顯示不同的狀態(tài)信息，電量或報警信息；記錄電池使用過程中，出現(xiàn)的狀況或報警信息；記錄電池最近使用的32次歷史紀錄，寫入EEPROM；在充放電時，4個LED指示燈顯示當前電池電量；

（5）參與上行接口參數(shù)校準，并把校準值寫入EEPROM，該參數(shù)用于電池計量與保護模塊。

通過按鍵中斷（先短按電源按鍵一次，再長按電源按鍵2秒以上）電池控制模塊主動進入低功耗，進入低功耗之前設置計量使能IO無效，然后發(fā)送sleep命令給智能電池計量和保護模塊，讓其也進入低功耗狀態(tài)；在低功耗狀態(tài)下，電池控制模塊完成以下功能：

利用定時器喚醒，判斷天數(shù)和電池電量，決定是否自放電；當電池電量大于65%無任何操作（包括查看電量等操作）存儲10天后，電池可啟動自放電至65%電量，以保護電池。

2.3 狀態(tài)機下電池電量計量與保護模塊設計

電池的保護主要包含：電池充電溫度保護、電池充電過流保護、電池充電短路保護、電池放電短路保護、電池過放保護。對于任何一種保護，都采用如圖3所示的保護機制，電池計量與保護模塊通過對電池進行實時電壓、電流、溫度、剩余電量等狀態(tài)量進行實時監(jiān)測，保護電芯不受損害。以電池過放保護為例，Vtrip=3V為電池過放的觸發(fā)電壓，Vrecovery=3.1V為從電池過放恢復電壓。當保護模塊監(jiān)測到電壓低于Vtrip，并且超過設定的某一時間常數(shù)后，啟動電池過放保護，主要是關閉放電開關，在之后的過程中，一旦監(jiān)測到電壓高于Vrecovery 并且維持設定的某一時間常數(shù)，就恢復放電。在這個過程中，有效的避免了放電電壓過低。

3 總結

本設計主要通過狀態(tài)機的流轉對整個電池進行智能化的管理，控制模塊由7個狀態(tài)作為基本要素，各狀態(tài)之間精密聯(lián)系，在某一條件滿足的情況下，可以由某種狀態(tài)切換到相應狀態(tài)，并執(zhí)行對應的功能；計量與保護模塊對電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實時的響應，并做出告警指示。通過與控制模塊進行信息交互，完成對整個系統(tǒng)的智能控制。包括電池的開啟、電池的關閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時能夠實時顯示當前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示。

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作者簡介

李宇峰（1983-），男，湖南省岳陽市人。講師。工學碩士。研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)設計。

作者單位

湖南信息職業(yè)技術學院 湖南省長沙市 410200endprint