Smart Battery锂离子电池管理系统(图)

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Smart Battery Li Ion Power Management System

摘 要: 本文介绍了一种构成Smart Battery的基于X3100芯片的多串锂电池管理系统。着重阐述了该系统的硬件实现和软件设计。本系统完成对各种参数的测量、管理和自动保护,完成几十种命令参数的计算,并通过SMBus总线同HOST等交换。实际使用证明本系统结构简单,功能完善、可靠,运行稳定,可用于笔记本电脑、电动自行车及其他便携仪器的智能电池模块中。
关键词: Smart Battery;X3100;电量平衡

一、 引言
---Intel和Duracell于1995提出了笔记本智能电池的概念-Smart Battery,即把锂电池和管理控制系统结合在一起,本身具有测量、计算、保护、通信等功能,也即我们所说的电池夹。随着Microsoft的Windows98的推出,笔记本的BIOS同Smart Battery实现真正的命令交换,Smart Battery成为真正的行业应用标准。其应用的协议已发展到了SBdata 1.1(数据协议)和SMbus 2.0(总线协议)。本文介绍的管理系统使用测量和保护芯片X3100同MCU配合,完成各种参数的测量、电量的计算、电量的平衡、智能充电管理、通信和保护功能等。本文介绍了硬件的实现和软件的设计,以及X3100的特性和相关控制软件程序。

二、 系统硬件实现

---Smart Battery系统是一个完整的小型智能系统,特定的应用要求其必须有完备的保护措施和高精度的测量、计算和稳定可靠的控制功能。本系统的硬件使用功能强、集成度高的芯片,尽量减少外围组件,降低成本,提高系统可靠性。系统的硬件框图如图1所示。系统包括电池组、平衡电路、X3100、控制MCU、检测器件、控制FET和外围接口组成。
---X3100的稳压电路提供系统的稳定工作电源;其独立测量每节电池的电压,测量电阻两端的电压,并向MCU输出测量结果。通过MCU的设定,其具有独立的过压、欠压、过流(短路)保护功能。在MCU的控制下,其控制充、放电FET和平衡电路的动作。
---平衡电路由电阻和控制FET组成,在对某节cell平衡时,形成旁路电流,从而实现各电池的充电电流不同,达到平衡目的。
---MCU是系统的核心控制部分,完成各种计算、控制功能。它通过控制接口,控制X3100的工作,通过选通不同的通道,获得各电压参数,测量cell的温度和充放FET的温度,并依据X3100的电流测量原理计算电流。MCU依据电流计算电池的电量,并计算SBdata规定的三十几个参数;依据平衡算法,通过X3100控制平衡电路的动作;同HOST进行命令交换,主动广播充电电流和充电电压;依据电池的状态,进行智能充电的控制;依据测量确定Smart Battery自身的状态,进行软件的过压、欠压、过流、温度等的保护。
---通过软件接口设定各初始参数和保护的阈值,并放入EEPROM中保护;同时保护各过程参数。
---因此本系统是由前端的X3100和控制MCU组成,具有完备的功能和双重保护。下面重点介绍X3100的功能特性和系统软件控制。

三、 X3100芯片介绍
 ---X3100是美国Intersil公司新推出的3/4节锂电池保护和检测IC。具有功能强大、外围元件少等优点。其管脚如图2所示。
1. 特性
(1) 有精确的稳压电路。
(2) 集成FET驱动电路。
(3) 电池电压和电流检测功能。
(4) 集成4Kb EEPROM。
(5) 具有多种工作模式。
(6) 平衡电路控制。
(7) 独立的保护动作功能,保护阈值可设定。
(8) 低压禁充保护功能。
2. 参数测量
---X3100独立测量每节电池的电压,如V1=Vcell1-Vcell2。电流的测量是通过测量连接于VCS1和VCS2之间的电阻压差实现的。其内部采用高效的差分电路,并通过正向和反向两次测量,滤除电路的误差影响,还可以通过MCU设定不同的电路增益,从而获得非常高的测量精度。
其电流的计算公式为:

3. Config设定
---

X3100有一个Config寄存器,存放设定值,包括过充保护电压值、过放保护电压值、过流保护值和低压禁充的设定值。每个值有四种选择,由两位指示。其位于SRAM内,通过特定的命令,把其值写入对应的EEPROM保存,重新上电时,会从EEPROM读入SRAM中。
4. 控制寄存器
---X3100/01具有位于RAM内两字节的控制寄存器,包括对充、放FET和平衡电路的控制及电流测量增益控制。MCU通过向该寄存器写入控制字节,可以控制FET的状态和电流测量增益。
5. 状态寄存器
---X3100有单字节的状态寄存器,指示其本身的工作状态。可以由MCU读取。
6. 测量通道选通
---AS0~AS2线的不同状态控制X3100内部A/D通道,并在AO端输出。
7. FET动作
---X3100自身根据Config的设定进行状态监视,如出现保护条件,将会自动进入保护状态,关闭相应的FET。但其FET关闭后则需要MCU的命令才能打开。如软件保护状态发生,其会根据控制寄存器的命令操作FET。
8. 工作模式
---X3100具有多种工作模式,适应不同的需要和降低功耗。并具有完善的Sleep和Wakeup机制。
9. 高速SPI通信
---其通过SPI接口与MCU进行命令和状态的交换以及对其EEPROM的操作。时钟最高可达3.3MHz。
10. EEPROM
---其内部的EEPROM可以通过字节或页的方式操作,并可选择8种不同方式之一进行锁定保护。

四、 系统功能软件实现
 ---本系统软件采用功能化、模块化的设计。根据系统工作的要求,对各个参数采用周期性测量的方式,对各个功能模块也进行周期性处理。整个系统的电量以及相关的各个时间参数的计算都是以实时电流为基础的,为了提高参数的精度,电流的测量周期较小;电压和温度的周期相对可以稍大一些。
---系统软件首先设置一个定时器,作为周期性测量和处理的基准。主程序流程如图3所示。
---程序的核心是循环的主程序处理部分。包括参数测量模块、数据计算模块、通信模块、状态处理模块、控制处理模块、时间处理模块等功能处理模块。下面主要简要说明各模块的功能及实现。
1. 测量模块
 ---测量模块是系统的主要模块之一,包括对电流、电压、温度等参数的测量和系统对这些参数的校准处理等。MCU通过设定X3100的AS0~AS2状态,选通不同的AO参数输出,然后通过自身的A/D电路,获得测量数据。然后经过相应的计算处理,得到测量数值。其中电流的测量要求很高的精度,又涉及充/放双方向测量和增益控制,过程较为复杂。每次需要测量充、放两个数值并获得差值,检查是否需要改变测量的增益和增益是否已达最大或最小;如果能够改变,则调整增益并写入X3100的control寄存器并重新测量。过程框图如图4所示。
2. 数据计算模块
---该模块完成系统的所有计算功能。根据测得的电流按照测量采样的时间换算为电量单位(mA),根据是充电过程还是放电过程,进行电量的增或减运算,记录系统的实时当前电量。按照Smart Battery Data 协议计算其规定的所有参数命令,包括百分比参数和时间参数等。计算完成系统运行的Cycle参数,在系统重新自学习自身的实际最满电量FCC(full charge capacity)时,完成学习的计算并存储。
3. 通信模块
---Smart Battery系统使用SMBus总线同Host和Charger等进行通信,交换命令参数。 SMBus(System Management Bus)总线是系统不同器件间通信的一种总线,笔记本计算机内部即采用此总线。它是基于I2C总线的一种改进型,包括数据线和时钟线,数据格式的定义也基本同于I2C总线。
---本系统控制MCU的硬件部分,采用中断方式,完成通信任务。支持字数据的读写和块数据的读写。允许对一些参数的写入和所有参数的读取,并在需要时主动广播充电电压、充电电流和警告信息。
4. 状态处理模块
---系统根据测量和计算的数据以及读取的X3100的状态,进行自身状态的处理和电压、电流、温度等的保护状态的判定和释放。软件中经常比较最低电池电压和最高电压及总电压,平衡处理中也需比较各个电池的电压差值问题,本模块首先使用排队算法,对电池电压进行排队标记,方便比较的处理。SBdata中的命令0x16是BatteryStatus(),其每一位都为一个状态指示,包括充/放指示、充满指示、禁充指示、温度警告指示、过放指示等,本模块也完成对其的具体处理。
5. 控制处理模块
---本模块在前面各个模块的测量、计算和处理的基础上,进行系统的控制操作,包括智能充电控制、平衡控制、FET控制和智能电量调整控制等。智能充电控制是软件根据锂电池的充电特性,控制脉冲、恒流-恒压方式的转换,实现最佳的充电方式和充电效果。
---软件通过平衡算法,不断检测各电池之间的差异,当满足平衡条件时,即启动平衡控制,通过硬件的平衡电路对有差异的电池进行平衡。保证电池的一致性,提高整个电池包的容量和使用寿命。本系统采用了滑动窗口平衡算法,限于篇幅不再详述。
---本模块通过与X3100的通信,完成对充电FET和放电FET的控制。
6. 时间处理模块
---本模块集中处理系统使用的各种时间计算。系统自放电的时间计算、各种保护判断的延时计算、控制的时间计算等。

五、 结束语
---本文介绍的基于X3100的Smart Battery锂电管理系统是便携设备的一部分,现在主要使用于笔记本电脑。硬件的简洁设计和完善的保护措施配合软件的完善、强大的功能,使本系统具有使用器件少、成本低、运行可靠、功能完善、保护全面等特点。该Smart Battery系统目前已经在IBM、SONY等品牌的几个型号的笔记本电脑上使用,工作完好。

参考文献
1 Smart Battery Data Specification Rev1.1 1998.11
2 System Management Bus Specification Ver2.0 2000.3
3 Intersil X3100 datasheet 2002.12
4 单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用
5 TI Smart Battery Document

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