基于PS501的智能電池系統(tǒng)

1、基于PS501的智能電池系統(tǒng)引言PS501是美國微芯科技公司推出的管理芯片，適用于24節(jié)及電池組，或612節(jié)鎳氫及鎳鎘電池組，能準(zhǔn)確計(jì)算出電池組 的剩余容量、滿充容量，以及預(yù)測(cè)電池的可運(yùn)行時(shí)間和充電完成所需要的時(shí)間，提供電池監(jiān)控功能，確保使用安全，先進(jìn)的電池平衡功能可以延長(zhǎng)電池壽命及工作時(shí)間。其通信協(xié)議符合SMBus 1.1和SBdata 1.1智能電池指令集。特點(diǎn)和引腳說明 特點(diǎn)支持24節(jié)鋰電池和612節(jié)鎳電池?；赑IC18F MCU內(nèi)核，現(xiàn)場(chǎng)可編程的鋰離子/鋰聚合物/鎳電池電量計(jì)量芯片。遵循SMBus 1.1和SBdata 1.1。精密的16位- A/D轉(zhuǎn)換，電流測(cè)量精度為小于1mA。1

2、8V最大輸入電壓，電壓測(cè)量端可直接與電池芯相連接。可編程I/O用于LED驅(qū)動(dòng)和充放電保護(hù)和二次安完保護(hù)。對(duì)不同的電池芯，用戶可以配置不同的電池模型。電池容量計(jì)量誤差小于1%。先進(jìn)的放電完(EOD)判斷方法。16KB閃存和256Byte EEPROM。高精度的內(nèi)部振蕩器。極低的電源消耗，工作時(shí)耗電為200A，采樣模式時(shí)為100A，休眠時(shí)僅為0.5A。增強(qiáng)型ESD保護(hù)能力。12個(gè)通用可編程I/O口，其中2個(gè)為高電壓(最高18V)開漏輸出。集成和外接溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)位置溫度檢測(cè)功能。內(nèi)置最大平衡電流為8.4mA的電池平衡電路和外部電池平衡控制功能。 引腳說明PS501采用TSSOP28無鉛封裝，

3、符合歐盟的RoSH以及各國的環(huán)保要求，其引腳排列如圖1所示。超小體積的TSSOP封裝(7.85mm10.2mm)可節(jié)省PCB的空間，方便地安裝于不同尺寸的電池包中，如圖2所示。圖1 PS501引腳圖圖2 基于PS501的智能電池包PS501引腳功能簡(jiǎn)介PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)PS501的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。圖3 PS501內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 處理器內(nèi)核/存儲(chǔ)器PS501采用了PIC18 8位RISC單片機(jī)內(nèi)核，其存儲(chǔ)器資源包括16KB 閃存，以及256Byte EEPROM，分別用于存儲(chǔ)程序/數(shù)據(jù)和參數(shù)。這兩種存儲(chǔ)器均可通過SMBus接口進(jìn)行重新編程，而不需要特別的編程接口。每片P

4、S501在出廠前都已經(jīng) 燒錄好Boot loader程序，針對(duì)不同型號(hào)用電設(shè)備，不同特性的電池芯，以及不同容量等配置信息用戶可以使用Powertool500軟件設(shè)置生成不同的固件，在電 池包生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)下載固件，從而電池包的生產(chǎn)廠可以方便快速地對(duì)不同特性的電池芯，不同的上位機(jī)設(shè)備更改固件，而不需要改動(dòng)硬件電路。 A/D轉(zhuǎn)換器PS501利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行電流、電壓和溫度的精確測(cè)量。A/D經(jīng)過校準(zhǔn)后可消除增益誤差和偏移誤差?；?PS501芯片的電池包管理PCBA在生產(chǎn)過程中除了要現(xiàn)場(chǎng)下載固件外，還要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路及硅時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的內(nèi)容包括：電池組電壓采樣， 每串電池芯電壓采樣

5、，外部和內(nèi)部溫度采樣，電流采樣，以及硅時(shí)鐘振蕩器。因此不管是元件精度，PCB設(shè)計(jì)等造成的累加誤差都可以通過校準(zhǔn)最大程度地進(jìn)行更 正，從而確保每個(gè)PCBA對(duì)物理量的采樣都是精確的，而這個(gè)過程花費(fèi)的全部時(shí)間僅為15s，而且全過程全部自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。本文相關(guān)DataSheet： PowerSmart固件/電池模型Flash存儲(chǔ)器中固化有所利用PowerSmart開發(fā)的電池管理固件。該固件采用專有算法以及精密的三維電池模型，模型包含250多種參數(shù)，并可對(duì)自放電、溫度以及其他因素進(jìn)行補(bǔ)償。除此之外，PS501在充/放電周期內(nèi)還執(zhí)行了多項(xiàng)容量校正和減小誤差的操作，以提高精度、 改善電量計(jì)和充電控

6、制性能。上述功能可確保實(shí)現(xiàn)精確的電池容量報(bào)告以及誤差小于1%的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。閃存的可再編程特性使得在無需改變硅片設(shè)計(jì)的前提下，可迅 速實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)并生成用戶版本。PS501可根據(jù)特定應(yīng)用的電池化學(xué)性質(zhì)輕松進(jìn)行用戶定制。PowerSmart提供了各種標(biāo)準(zhǔn)配置文件，可用于配置各種流行的充電電池和電池組應(yīng)用。圖4和表1是不同溫度，不同放電率的放電結(jié)束電壓3D模型和PS501內(nèi)部表格參數(shù)一個(gè)例子。圖4 不同溫度、不同放電率的放電結(jié)束電壓3D模型表1 鋰電池放電結(jié)束電壓查找表 SMBus接口/SBdata命令PS501包括一個(gè)符合SMBus v1.1協(xié)議的SMBus通信引擎，目前所有的筆記本電腦與筆記本電池

7、的通信都遵循這個(gè)通信協(xié)議。SMBUS是I2C通信協(xié)議的一個(gè)子集，使用帶有I2C 通信接口的處理器或者用軟件模擬I2C通信接口的方法，都可以很容易地讀取PS501的SBdata數(shù)據(jù)，應(yīng)用到不同的電子產(chǎn)品中。 精確的集成時(shí)基PS501帶有一個(gè)高精度硅振蕩器，無需外接時(shí)鐘振蕩器即可進(jìn)行自放電定時(shí)和容量計(jì)算的精確定時(shí)。這個(gè)內(nèi)部硅振蕩器在電池組生產(chǎn)時(shí)可以由用戶進(jìn)行校準(zhǔn)。 溫度檢測(cè)當(dāng)PS501緊靠被監(jiān)控的電池時(shí)，可采用片內(nèi)集成的溫度傳感器以減少器件數(shù)目，用戶也可選擇通過器件提供的引腳外接熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)控。同時(shí)PS501可以支持內(nèi)外兩個(gè)傳感器分別進(jìn)行采樣，監(jiān)測(cè)兩個(gè)不同地方的溫度，并可以通過GPIO做出不

8、同條件的溫度保護(hù)。 通用I/OPS501提供12個(gè)可編程數(shù)字輸入/輸出引腳。其中8個(gè)引腳可用作LED輸出以顯示充電狀態(tài)(SOC)，或直接控制外部充電 電路，或?yàn)殡姵亟M提供額外的安全保護(hù)。當(dāng)然，它們也可用作通用輸入/輸出引腳。在這些引腳中，有兩個(gè)I/O是開漏輸出引腳，因此可用于直接驅(qū)動(dòng) FET或其他高電壓應(yīng)用。在PS501內(nèi)部提供的最大8.4mA平衡電流不足以滿足大容量電池包的平衡功能需要時(shí)，PS501可以通過通用 I/O控制外部的平衡電路，實(shí)現(xiàn)用戶自定義大小的平衡電流控制。此外通用 I/O還可以用作電池低容量工作時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器作低電量聲音提示。工作模式PS501有4種工作模式：運(yùn)行模式、采樣模式

9、、低電壓休眠模式和閑置休眠模式。每種模式都有特定的進(jìn)入和退出條件，四種模式的功耗各不相同。 運(yùn)行模式：PS501在電池組在充電或放電的過程中工作在這種模式。運(yùn)行模式是功耗最大的工作模式。在運(yùn)行模式中，一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)所有測(cè)量和計(jì)算進(jìn)行一次。在每個(gè)測(cè)量周期，依次對(duì)電流、電壓和溫度進(jìn)行測(cè)量。例如：當(dāng)筆記本電腦在工作或充電時(shí)，PS501的工作電流為200A。 采樣模式：PS501在電池組既沒有充電也沒有用電的情況下進(jìn)行采樣模式。采樣模式中，充電狀態(tài)的計(jì)算、SMBus請(qǐng)求等操作仍將按照正常運(yùn)行模式的頻率進(jìn)行，不同的是每隔多個(gè)采樣周期才進(jìn)行一次測(cè)量。器件總功耗得以顯著降。例如：筆記本電腦在關(guān)機(jī)時(shí), PS5

10、01的工作電流為100A。 低電壓休眠模式：電池組電壓測(cè)量值低于用戶的預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，器件進(jìn)入休眠模式。處于休眠模式的PS501不再進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。電量計(jì)顯示器不工作，SMBus上的通信被忽略，只有當(dāng)滿足了喚醒條件時(shí)器件才可退出休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式之一，用于電池徹底放電后保存電池能量，此時(shí)PS501的工作電流可以低至1A。 閑置休眠模式：對(duì)于需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存的電池組，可采用閑置休眠模式。該模式下，無論電壓值的大小，PS501都將進(jìn)入低功耗休眠模式。用SMBus命令可使器件進(jìn)入該模式。此時(shí)PS501的典型功耗可以低至 1A。當(dāng)SMBUS總線有上拉電平退出該模式。該模式應(yīng)用于電池包在長(zhǎng)期儲(chǔ)存

11、和運(yùn)輸?shù)倪^程節(jié)省電量。如：筆記本電腦電池在生產(chǎn)后到用戶第一次使用 這個(gè)過程PS501可以設(shè)置工作在這種模式。本文相關(guān)DataSheet： 電池平衡 電池平衡功能的必要性當(dāng)一個(gè)串聯(lián)電池包中的電池芯中有電池芯的容量與其他串聯(lián)的電池芯片不同時(shí)，會(huì)體現(xiàn)為在電池組充滿或放完時(shí)串聯(lián)電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導(dǎo) 致在電池組充電的過程中，電壓過高的電池芯提早觸發(fā)電池組過充電保護(hù)，而在放電過程中電壓過低的電池芯導(dǎo)致電池組過放電保護(hù)，從而使電池組的整體容量明顯 下降，整個(gè)電池組體現(xiàn)出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量。 PS501的內(nèi)部平衡功能PS501片內(nèi)具備電池平衡負(fù)載，用以從具有較高電壓的電池

12、抽取多余的電流,消耗多余的電量，實(shí)現(xiàn)電池平衡。根據(jù)電池電壓大小的不同，內(nèi)部的多個(gè) 500電阻將從每節(jié)電池抽取最多 8.4mA的電流。電池平衡算法將對(duì)單個(gè)電池的電壓以及它們之間的電壓差進(jìn)行監(jiān)視。對(duì)于容量較小，而且電池芯的性能及一致性較好的電池組，可以選擇使用內(nèi) 部平衡功能。 PS501的外部平衡控制功能當(dāng)電池組的容量較大，并且電池芯的性能和一致性較差的情況下，PS501片內(nèi)的平衡電路無法有效地起到電池平衡功能。這種情況下，可以使用 PS501的可編程I/O并通過芯片外部的簡(jiǎn)單元件實(shí)現(xiàn)大電流的電池平衡功能，參考應(yīng)用電池見圖5。這樣，通過改變分流電阻的阻值，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同平 衡電流，通常在一些應(yīng)

13、用中將其設(shè)為100mA以上。這個(gè)功能特別適用于使用國產(chǎn)大容量電池芯的電動(dòng)車、電動(dòng)工具、外置電池包等應(yīng)用。圖5 PS501外置電池平衡電路PS501的典型應(yīng)用電路PS501的典型應(yīng)用電路見圖6。圖6 PS501典型應(yīng)用電路 電量計(jì)量功能：PS501直接對(duì)四串鋰電池進(jìn)行電壓采樣，電流的采樣通過串在主回路中的采樣電阻的兩端的電壓降得知。溫度采用片內(nèi)傳感器。 一次保護(hù)功能：電池在過充電和過放電、過流、過溫等情況下都有可能會(huì)損壞電池和用電設(shè)備，并有發(fā)生電池爆炸或著火的危險(xiǎn)。本方案使用專用的電池保護(hù) 芯片如SEIKO公司的S-8254或MITSUMI公司的MM1414和PS501共同控制充電和放電保護(hù)MO

14、SFET，實(shí)現(xiàn)雙重一次保護(hù)功能。 二次保護(hù)功能：在一次保護(hù)沒有正確保護(hù)，并且電池于危險(xiǎn)的前提下，PS501可以控制熱熔保險(xiǎn)絲，將其熔斷從而避免發(fā)生電池爆炸或著火的危險(xiǎn)。 通信：主機(jī)通過SMBUS與PS501通信，讀取電池的各種信息。 電池平衡：使用片內(nèi)電池平衡功能。PS501的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖7是基于PS501的組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖7 PS501的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)電池組形式：3串2并(3S2P)容量4000mAH充電設(shè)置：恒流為3000mA、恒壓為12600mV，停充條件為電流小于100mA。放電設(shè)置：恒流為4500mA，停放條件為包電壓低于9000mV。測(cè)試結(jié)果：PS501準(zhǔn)確地計(jì)算出電池組的容量，保證運(yùn)行時(shí)間。在充電過程中可以實(shí)時(shí)記錄獲得的容量，并且在電池充滿時(shí)計(jì)算出的電池容量與實(shí)際的電池容量4000mAH相符。放電過程中，準(zhǔn)