电动自行车用锂离子电池保护板的设计

　　与电池有关的变量 。这样在电池包的充电过程中就可以根据电池包的设计规格通知充电器按规定的参数充 电 ,最大限度的发挥电池包的性能 。 2. 2 X3100 的通信时序

　　有几微伏 ,为提高采样精度 ,增加电路的抗干扰性能 ,电流检测回路采用开尔文连接方式 。温度检测采用负

　　温度系数热敏电阻配合 GC1318 的 AD 输入完成 。为提高电路的安全性 ,本设计中的 X3100 在初始化后可以

　　根据内部寄存器设置自动完成对锂离子电池充 、放电保护 ,这就可以避免由于 GC1318 的故障引起的保护失

　　X3100 内部可编程放大器放大后送到 GC1318 的 AD 输入 口 ,因为电流信号非常微弱 ,有时检测电阻两端的电压只

　　常 ,可以把整体电路的无故障时间提高几个数量级 。图中 GC1318 提供的 SMBUS 接口在本方案中主要用于

　　由于控制电路主要由电池供电 ,所以电路的低功耗设计成为方案设计一个重要内容 。通过仔细分析电

　　路的工作过程 ,按实际功能把电路分为几个独立的模块 ,每个模块设计一个独立的供电控制开关 ,使用只对

　　3. 1 X3100 的初始化功能模块 本模块完成对 X3100 的初始化操作 ,包括 X3100 上电时序的控制 ,状态寄存器的读写 、控制寄存器的读

　　写 。设定 X3100 的过放电保护电压 、过充电保护电压 、过放电电流 、设置充放电 MOSFET 状态和平衡 MOSFET 的状态等 。 3. 2 平衡功能

　　有表 1 可见锂离子电池具有工作电压高 、体积小 、重量轻 、能量比高 、循环寿命长 、无记忆效应 、自放电率 低 ,可快速充电等优良性能 ,因此锂离子电池正在成为电动自行车用电池的理想选择 。但是锂离子电池使用 中需要专用的安全保护电路 ,否则可能会引起电池的爆炸 。并且如果大量锂离子电池串联使用 ,还会因为电 池之间差异严重影响整个电池包的使用寿命 。正是出于此目的 ,我们专门设计了电动自行车用的锂离子电 池保护板 。本设计使用了两片 Xicor 公司的 X3100 锂离子电池专用保护 IC 和深圳嘉玛特科技有限公司的 AVR 结构的 8 位单片机 GC1318 为主要元件 。本保护板具有以下功能 :

　　ROM、控制及状态寄存器 、PGA 、Balance 驱动电路 、充 、放电 MOSFET 驱动电路 、电池充电过压和放电欠压保护

　　电路 、过流保护电路 、多路模拟开关以及用于外围接口控制的 SPI 接口等 。其内部结构详见图 2 。

　　X3100 的电流检测方法 :为提高电流的检测精度 X3100 内部集成 PGA 电路 ,对 VCS1 和 VCS2 之间的差 分电压放大后的电流信号通过多路选择器输出 ,放大倍数可通过寄存器设置选择 10 、25 、80 、160 共 4 种 ,这 样我们就可以使用 10Bit 的 AD 就可获得 16Bit 的电流分辨率 。大幅度的降低了方案的总体成本 。

　　设计中利用 GC1318 测量电池的工作电流和工作电压 ,自动累计电池包的容量 ,当用户要求了解电池包 的现有容量 ,可通过按键触发 LED 指示电池包容量 ,也可通过 SMBUS 接口精确读取电池包的电量 。 3. 8 生产自动测试模块

　　GC1318 内部还集成了 SMBUS 通信模块 ,可是电动自行车的电池包使用中一般不需要 SMBUS 通信 ,本设 计对此稍作修改 ,配合标准的 SMBUS 通信工具 ,用作电池包的自动调试 、测试 ,方便批量生产 。

　　工作中模块供电 ,其他模块处于休眠状态 ,这样就最大限度的降低了电路的整体功耗 ,实际测试本方案的正

　　X3100 是 XICOR 公司的锂离子充放电保护专用 IC。它内部集成了高精度的稳压电源 、4K Byte 的 EEP2

　　本文设计的电动自行车的锂离子电池保护板在使用不仅保证了锂离子电池充放电的安全性 ,而且也很

　　好的解决了保护板自身的功耗问题 ,本方案设计的产品正常工作模式下工作电流下于 100μA ,休眠模式下的

　　电流更是达到下于 0. 5μA 水平 。在部分电动自行车厂家的使用中获得米乐M6 米乐平台了一致的好评 。

　　收稿日期 :2004212220 作者简介 :张志贤 (1971 - ) ,男 ,山东大学信息科学与工程学院在职申请硕士学位学员 。研究方向 :单片机嵌入式系统设计 。

　　(2) 可设置的锂离子电池过电流保护 (充电过流 、放电过流) ; (3) 可设置的锂离子电池过放电保护电压 ; (4) 可设置的过充 、过放 、过流保护时间 ; (5) 100mA 的充电平衡功能 ; (6) 精确的电量计算 、指示功能 ; (7) 安全的温度保护功能 。

　　X3100 内部集成了 4 路电平移位电路 ,可以把串联的每节电池的电压都通过电平移位器变换到 0～5. 0V

　　的范围内 ,然后通过多路选择器输出给 GC1318 。 最后内部还有 4K Byte 的 EEPROM 用于存储电池包的电化学参数 、生产日期 、编号 、充放电参数等各种

　　设计采用两级电流保护模式 : GC1318 的可设置的电流保护模式和 X3100 内部电流保护模式 。当 X3100 进入过流保护时 ,将在 OVP 管脚输出 7. 5μA 的恒定电流用于测试外部负载 ,当外部负载大于 250kΩ ,X3100 将退出过流保护模式 。 3. 6 充放电温度控制

　　锂离子电池充电和放电过程都有严格的温度要求 ,温度过高电池有爆炸的危险 ,温度过低由于锂离子的 活动性变差 ,又会影响锂离子电池的寿命 ,综合多方面考虑本设计中采用的温度范围为充电220 ℃～60 ℃,放 电210 ℃—50 ℃[1] 。 3. 7 电量的计算和显示

　　放电过程中当检测到某节电池的电压小于过放电电压时 ,启动延时定时器 ,如定时器溢出时该电池电压 仍小于过放电电压则关闭放电 MOSFET。此后继续定时检测每节电池的电压 ,当电压大于过放电释放电压

　　时则打开放电 MOSFET。如电继续下降 ,当电压降低到 SLEEP 电压时则通知 X3100 进入 SLEEP 模式 ,同时关 闭稳压电源输出 。 3. 5 过电流保护

　　摘要 :本文根据电动自行车用锂离子电池保护板的特殊要求设计了一种锂离子电池保护板 ,实现了对大容量 锂离子电池的充 、放电保护 。 关键词 :电动自行车 ;锂离子电池保护板 ;电量平衡 中图分类号 : TN409 文献标识码 :A

　　由于人们对环保问题认识的加深 ,使得电动自行车正在逐步替代摩托车 ,成为人们的带步工具 。现阶段 适合电动自行车用的电源主要有 :铅酸类蓄电池 、镍氢米乐M6 米乐平台类电池 、锂离子电池 。关于三种电池性能的比较见表 1。

　　电动自行车电池包内有 8 节锂离子电池串联使用 ,但是电池之间的特性不可能完全一致 ,这样充电过程 中容量大的电池就可能永远无法充满 ,而容量小的电池就可能过充电 ,影响了电池包的整体性能 ,电量平衡 电路就可以调节不同电池的充电速率 ,在容量偏差不太大时保证所有的电池都可以完全充满 ,提高了电池包 的整体性能 。GC1318 通过以下方式实现平衡功能的 。首先判断电池包是否处于充电状态 ,只有在充电状态 下才打开平衡功能 ,然后测试每节电池的电压 ,判断电压最大值和最小值的偏差 ,偏差超出规定的数值则打 开电压高的电池对应的平衡 MOSFET ,降低对应电池的充电速率 。这样一直持续到所有电池之间的电压偏 差都在规定的数值内时则关闭所有平衡 MOSFET。 3. 3 过充电保护

　　充电过程中定时读取每节电池的电压值 ,当某节电池的电压超出设定的过充电保护电压 ,则启动延时定 时器 ,同时 GC1318 实时采集每节电池的电压 ,如该电池电压又小于设定值则关闭并清空定时器退出过压状 态 ,如定时器溢出m6米乐官网 米乐M6平台入口时该电池电压仍大于设定的过充电电压则关闭充电 MOSFET。然后仍改为周期性的检测 每节电池电压 ,当每节电池的电压都小于设定的过充电释放电压时再启动定时器 ,如定时器溢出时每节电池 电压还都小于过充释放电压则打开充电 MOSFET ,允许对电池包充电 。 3. 4 过放电保护

　　性能 单位质量能量密度 (W·hΠkg) 单位体积能量密度 (W·hΠL) 单位质量输出功率 (WΠkg) 循环寿命 (次) 平均电压 (V) 电压范围 (V) 自放电率 ( %Π月) 有无记忆效应 对环境有无污染 快速充电性能 安全性能

　　GC1318 具有如下特点 ,可根据用户的设置自动累计电池包的电量 ,进行电量单位换算 (mAH 和 mWH) 。 可根据用户的初始设置自动完成对 X3100 初始化操作 。内部集成有 PLL 电路 ,使用单一的 32. 768kHz 的外 部时钟 ,内部系统用高速时钟信号由此时钟倍频产生 ,这样可降低系统的功率消耗 ,提高了整体方案的 EMC 指标 。

　　GC1318 是深圳嘉玛特科技有限公司开发的 、专门配合 X3100 实现智能电池包管理控制的 、AVR 结构的 8 位单片机 。其内部集成了 SMBUS2. 0 接口 、10 位分辨率的 AD 转换器 、LED 驱动电路 ,SPI 通信接口 ,16Kbyte 的支持在线更新的 FLASH ROM。GC1318 设计的主要目的是用于 3 节或 4 节m6米乐官网 米乐M6平台入口锂离子电池的充放电保护 。本 方案中利用 GC1318 的内核 ,在控制方法上稍作更改用于 8 节锂离子电池的充放电管理 。