如何在锂离子电池设计中实现运输节电模式

如何在锂离子电池设计中实现运输节电模式

汪英杰

欣旺达电子股份有限公司广东深圳518106

摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，本文将介绍什么是运输节电模式，以及如何在产品中使用此功能来提供最佳用户体验。虽然本文主要将使用德州仪器电池充电管理集成电路作为示例，但您可将这些概念应用于正在开发的任何低功耗系统。

关键词：锂离子；电池设计；节电模式

引言

随着嵌入式设备运用的日益普及，及对设备便携化的需求也在逐渐增强。而便携的实现离不开电池的使用。传统的镍铬和镍氢蓄电池的体积和质量大，污染严重。而锂离子电池具有小的体积，轻的质量，大的能量密度和稳定的性能。基于以上优势使锂离子电池在便携化发展中广受青睐。但锂离子电池在使用时要求十分严格，不可过充。因此，要对锂离子电池进行充电管理，保证锂离子电池的使用寿命等各项性能的稳定。从而可进一步保证设备的性能稳定。

1锂离子电池安全预警防护系统设计方案

根据对锂离子电池热失控、燃烧试验的分析，设计锂离子电池安全预警防护系统，由多种电气元件与机械元件组成。按照元件功能分类，分成四部分：系统检测部分、系统执行部分、灭火剂存储部分以及结构部件。系统设计框图如图4所示，系统检测系统包含各种信号采集传感器、信息控制模块及内置程序、等，其中信号采集传感器主要是针对电池热失控及燃烧产生的温度变化、火焰和烟气等现象进行温度、红外光源、CO/CO2浓度等信号采集。温度传感器布置在电池箱内部，监测电池表面温度变化；火焰传感器分布在电池箱四周，监测整个电池箱内的空间是否有明火产生；烟气传感器布置在电池箱顶部，等检测到烟气时向安全预警防护系统发送开关信号。电池安全预警防护系统采集到的温度、火焰以及烟气信号参数超出系统设置的阈值时将向电池管理系统发生不同等级的预警状态提示。

2锂离子电池设计中实现运输节电模式

2.1什么是运输节电模式，为何需要它

运输节电模式是产品消耗最低电池电流的状态。消费者希望在购买电池供电产品后能够立即使用它们。这意味着电池在运输期间和保质期内必须保持一定容量，这可能需要几个月甚至更长时间。锂离子电池已成为设计师的热门选择，因为它们可充电、支持高功率要求且极其轻便。但是，与非充电电池不同，您不能在使用锂离子电池的产品上放置塑料拉片。因此出于安全考虑，您希望避免使用这些电池。这意味着我们需要找到替代解决方案，以便在处于通断状态的产品中实现运输节电功能。您可能想知道为何当“运输节电”只发生一次时您就应该关注运输节电模式，但这并不完全正确。运输节电模式是产品消耗最低静态电流的状态，同时等待用户按下按钮导通产品。例如，德州仪器的BQ25120A主动监控待插入的适配器或按钮输入，同时消耗2nA的典型电流。我们经常建议设计人员在产品即将出厂装箱、产品正在使用且电池电量不足、以及产品正在使用且用户想关闭产品时实施运输节电模式。BQ25120A系列产品充电器的运输节电模式使用按钮接口实现，如图2所示。按钮输入（/MR）在内部上拉至VBAT管脚。当器件处于运输节电模式且用户按下/MR按钮时，产品将退出运输节电模式。您无需在此管脚上使用电容，因为信号在内部已消除故障，但通常其在某些原理图中可见。若开关暴露给用户，您可选择使用瞬态电压抑制二极管进行保护。/MR管脚上的低电压读数转换为“按下按钮”动作。连接到微控制器（MCU）以驱动/MR管脚时要小心，因为/MR管脚上的电压被拉至电池电压本身。通常采用N通道金属氧化物半导体来模拟无按钮系统中MCU的“按压”动作。

2.2温度监测电路设计

温度监测是为了在电池工作过程中监测系统的温度，防止温度过高对电池造成危害，而产生其他危险。同时，电池放电时所释放的热量过大会导致LTC6803芯片温度上升，当芯片温度大于105℃时会使芯片损坏。为此，必须对电池及芯片的温度进行测量，温度过高时打开外置风扇进行散热，以防止电池及芯片的损坏。

2.3电压与温度测量程序设计

电压测量是依据LTC6803电池监测IC的电压监测功能来编写的。由主机STM32发送测量命令代码至LTC6803，根据接收到的具体命令，完成电压测量和数据回传。根据不同的命令代码和PEC字节编写不同的命令代码子程序，在电压检测的过程中分别调用所需子程序来完成整个测量过程。

2.4降压和主备电切换部分

由于存储设备的其他模块需要的电压是3.6V，而电池组是由2节标称值是3.7V的锂离子电池串联组成。本方案选择输出电压可调的高电流低压差线性稳压芯片MIC29302BT实现降压。该芯片使用时要求，输入电压VIN取（VOUT+1～26V）之间，即4.6～26V，电池组电压符合该要求。输出电压可选1.25～25V范围内的值，可通过式(1)设置电阻R1和R2实现相应输出的电压值。根据需要可

取标称值R1=1.6kΩ、R2=820Ω。此外还需注意该芯片具有使能端EN，要求小于0.8V时使能无效，大于等于2.4V时使能有效，电池组的降压使能端是FPGA控制，使能端有效时电压在3.3V左右，因此，为了能有效控制使能开合，在使能端加1kΩ下拉电阻R3。主备电切换部分。当通过线缆将主电源连接到存储设备时，主电源（12V）一方面对电池组进行充电，另一方面通过同步降压转换器LMR33630将主电源的12V转换为稳定的5.2V输出，再通过MIC29302直接利用VIN作为使能信号为存储设备进行供电。而电池组方面由上位机下发主电源指令将电池组的MIC29302使能端变为低。当主电源供电时需要整个存储设备工作，需要有稳定且较大的电压和电流，故这里选用LMR33630作为主电源的降压转换器，该降压转换器可以用高达36V的输入电压驱动高达3A的负载电流，并且具有超小型QFN封装和低EMI、低噪声，效率高等特点。该芯片在使用时需注意，输入电压值可选6～36V之间，输出的直流电流应在0A～3A,输出的直流电压应在1～24V。VFB为反馈电压，值为1V。本方案要用12V输入电压得到输出5.2V电压和1.5A左右的电流。

2.5上位机软件设计

上位机软件主要对串口进行设置，由VISA函数读出与下位机相连的串口。串口通信所需的其他设定，如波特率、校验位等采用VISA读串口函数的默认设置，无需更改。其他主要包括：数值是否有效位，当为1时表示读取的数据有效，为其他值时，数据无效，即所采数据有误。编写流程为：先通过VISA读函数将串口传输过来的数据以字符串的形式读取，再根据每个数据代表的不同意义，将长串字符串截取成很多段代表特定意义的字符串，然后通过字符串转十进制数函数将每小段字符串转换成数值，进行显示。

结语

文中详细介绍了电池管理系统的软硬件设计。硬件核心部分基于STM32和LTC6803进行设计，两者之间通过SPI方式进行通信，完成对电池组电压和温度信息的采集，以及均衡保护部分的实现。电流采集由ACS712电路传感器和STM32的A/D转换部分完成，过充过放保护由继电器控制部分实现。软件方面描述了各主要算法的程序流程图和功能以及上位机程序的设计。该电池管理系统下位机完成电池组各项信息的采集、均衡保护和过充过放保护，同时将采集到的信息传输到上位机进行显示和存储。

参考文献

[1]胡晓松，唐小林.电动车辆锂离子动力电池建模方法综述[J].机械工程学报，2017，53(16):21-31.

[2]王震坡，孙逢春，林程.不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析[J].北京理工大学学报,2006,26(7):577-580.