基于狀態(tài)機(jī)的鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、    基于狀態(tài)機(jī)的鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    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(huì)大大減少，本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)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(yùn)行可靠性，為傳統(tǒng)鋰電池充放電管理這一技術(shù)問題提供一定的參考價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】狀態(tài)機(jī) 電池保護(hù) 智能管理隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，電池，特別是鋰電池，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(shí)僅僅只是提供了電源功能，并沒有對其進(jìn)行智能化的監(jiān)控和管理，隨著電池的老化

2、，過充、過放等使用情況的增加，很容易造成鋰電池失去儲(chǔ)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(shè)計(jì)即為一個(gè)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(yùn)行可靠性。1 鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由基于狀態(tài)機(jī)的控制模塊和電池計(jì)量與保護(hù)模塊構(gòu)成。前者主要通過狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對整個(gè)電池進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果結(jié)合保護(hù)參數(shù)進(jìn)行決策，繼而通過關(guān)斷充放電開關(guān)對電芯進(jìn)行保護(hù)。兩者之間以smbus的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)上報(bào)（對于告警數(shù)據(jù)）或定時(shí)

3、發(fā)送（對于狀態(tài)量數(shù)據(jù)）的方式跟上位機(jī)交互，讓上位機(jī)獲取電池的響應(yīng)狀態(tài)。同時(shí)，控制模塊可根據(jù)功能選項(xiàng)，控制電池計(jì)量與保護(hù)模塊及本身的功耗模式，達(dá)到最佳的節(jié)能方式。2 鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)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(guān)數(shù)據(jù)的提取、分析、存儲(chǔ)和上報(bào)等功能，以及對電池的實(shí)時(shí)保護(hù)。通過狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對整個(gè)電池進(jìn)行智能化的管理。狀態(tài)機(jī)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(jìn)行交互，狀態(tài)之間可以有條件的進(jìn)行切換。7種狀態(tài)如下：（1）低功耗狀態(tài)：狀態(tài)1，主控mcu

4、停止工作，工作電流下降到幾十個(gè)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(yùn)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(jì)量與保護(hù)模塊進(jìn)行信息采集，決策當(dāng)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(zhuǎn)過程包括對電池的各種狀態(tài)切換均能實(shí)時(shí)的控制，對電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實(shí)時(shí)的響應(yīng)，并做出告警指示。通過與智能電池計(jì)量與保護(hù)模塊進(jìn)行信息交互，完成對整個(gè)系統(tǒng)的智能控制。

5、包括電池的開啟、電池的關(guān)閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)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(jī)的控制模塊設(shè)計(jì)控制模塊實(shí)現(xiàn)對電池智能化管理的功能，分為工作時(shí)的任務(wù)和待機(jī)時(shí)的任務(wù)；上電復(fù)位初始化，設(shè)置電池保護(hù)和計(jì)量模塊的相關(guān)參數(shù)，主要是用于計(jì)量的阻抗相關(guān)參數(shù)，電芯型號(hào)，電池保護(hù)相關(guān)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(jì)量與保護(hù)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(dòng)上報(bào)；采集到的數(shù)據(jù)存放

6、在片上ram空間，并每隔1秒鐘刷新一次，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)附加crc校驗(yàn)碼，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；（2）每隔3秒主動(dòng)上報(bào)片上ram空間中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)；（3）響應(yīng)上位機(jī)的隨機(jī)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(bào)警信息；記錄電池使用過程中，出現(xiàn)的狀況或報(bào)警信息；記錄電池最近使用的32次歷史紀(jì)錄，寫入eeprom；在充放電時(shí)，4個(gè)led指示燈顯示當(dāng)前電池電量；（5）參與上行接口參數(shù)校準(zhǔn)，并把校準(zhǔn)值寫入eeprom，該參數(shù)用于電池計(jì)量與保護(hù)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(dòng)進(jìn)入低功耗，進(jìn)入低功耗之前設(shè)置計(jì)量使能io無效，然后發(fā)送slee

7、p命令給智能電池計(jì)量和保護(hù)模塊，讓其也進(jìn)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(shí)器喚醒，判斷天數(shù)和電池電量，決定是否自放電；當(dāng)電池電量大于65%無任何操作（包括查看電量等操作）存儲(chǔ)10天后，電池可啟動(dòng)自放電至65%電量，以保護(hù)電池。2.3 狀態(tài)機(jī)下電池電量計(jì)量與保護(hù)模塊設(shè)計(jì)電池的保護(hù)主要包含：電池充電溫度保護(hù)、電池充電過流保護(hù)、電池充電短路保護(hù)、電池放電短路保護(hù)、電池過放保護(hù)。對于任何一種保護(hù)，都采用如圖3所示的保護(hù)機(jī)制，電池計(jì)量與保護(hù)模塊通過對電池進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度、剩余電量等狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保護(hù)電芯不受損害。以電池過放保護(hù)為例，vtrip=3v為電池過放的

8、觸發(fā)電壓，vrecovery=3.1v為從電池過放恢復(fù)電壓。當(dāng)保護(hù)模塊監(jiān)測到電壓低于vtrip，并且超過設(shè)定的某一時(shí)間常數(shù)后，啟動(dòng)電池過放保護(hù)，主要是關(guān)閉放電開關(guān)，在之后的過程中，一旦監(jiān)測到電壓高于vrecovery 并且維持設(shè)定的某一時(shí)間常數(shù)，就恢復(fù)放電。在這個(gè)過程中，有效的避免了放電電壓過低。3 總結(jié)本設(shè)計(jì)主要通過狀態(tài)機(jī)的流轉(zhuǎn)對整個(gè)電池進(jìn)行智能化的管理，控制模塊由7個(gè)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(yīng)狀態(tài)，并執(zhí)行對應(yīng)的功能；計(jì)量與保護(hù)模塊對電芯的各種異常狀態(tài)反饋均能實(shí)時(shí)的響應(yīng)，并做出告警指示。通過與控制模塊進(jìn)行信息交互，完成對整個(gè)系統(tǒng)的智能控制。包括電池的開啟、電池的關(guān)閉、電池狀態(tài)量的采集、系統(tǒng)低功耗控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)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。參考文獻(xiàn)1董超，李立偉，張洪偉.新型電動(dòng)汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)j.通信電源技術(shù)，2012（29）：33-35.2劉霞，鄒彥艷，今梅.鋰電池電量的動(dòng)態(tài)預(yù)測j.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，28（02）：81-83.3欒成強(qiáng)，劉偉然.智能電池監(jiān)視器j.今日電子，2003（10）：52-53.4張艷紅.低功耗鋰離子電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)d.華中科技大學(xué)，2006.5趙庚申，王慶章.簡單實(shí)用的全自動(dòng)蓄電池充電控制器j.太陽能，2003（0