一种锂电池激活控制系统的设计与实现

本文设计了一种智能型模拟电池激活控制系统，模拟储备电池供电采用锂离子电池组，该系统可以模拟一次电池组激活和加温，具有可充电重复使用等功能、系统具有容量显示、过流、过压、欠压、定时报警关机等功能外，还具备使用周次、过程关键参数记忆、PC通讯、IAP/ISP在线和在系统功能。该系统已经在某产品得到应用。

【关键词】电池激活控制系统 设计

1 系统原理介绍

电池激活控制系统原理框图见图1。

电池组由控制系统与锂离子电池组组成，模拟电池组在外电源点火信号激励下，电池组被激活，输出端由不带电转为带电，并通过总输出插座端对外输出电能，提供合适应用系统的电压电流，给应用系统提供充足电能。加温模拟功能用于模拟一次电池加温功能。

控制管理系统由单片机小系统，巡检电路单元、固态电子开关、激活加温充电模式识别单元、容量指示，RS232通讯口，DC/DC电源变换单元组成。

如图1，电激活时，当激活接口JH+和JH-接入激活电源（DC27 V±3V）时，激活识别电路识别到有激活电源接入，电池组电能接入DC/DC，单片机系统得电开始工作，通过相关判断并将功率电子开关闭合，这时电池组内部回路开通，可以通过“输出+”和“输出-”对外输出电能，即电池组已“激活”。激活输出（电池组放电）模式工作时，功率电子开关接通，电池组对外输出，检测单元检测放电电流和电池组电压，单体电压，当电压低到一定值后，显示闪烁提示，当电池组电压低于下限保护值后，单片机放出命令，电子开关断开，切断输出。电池组激活后，若无任何加载过程，则一直处于“激活”状态。若进行了相关加载过程，并且停止加载超过一分钟，系统则判断为用电结束，自动将功率电子开关断开，系统进入待“激活”状态，以待再次“激活”操作。待“激活”状态下系统不消耗电池组电能。

电池组正常时功率电子开关处于断开状态。正式工作前，可以通过JC和J-两点检测模拟加温电阻，通过JH+和JH-检测模拟的气体发生器等效电阻。电加热，当加温接口J+和J-接入加温电源时，系统电路开始计时，约一分钟后加温回路自动断开，加温结束。

充电，若接入充电电源，识别电路就会识别到有充电电源接入，充电电源接入DC/DC，接着单片机系统得电开始工作，充电过程中单片机工作，但是功率电子开关保持断开，即对外无输出。充电过程单片机小系统控制检测和控制单元对于单体电压进行检测。

电池组在充电和激活放电时，容量显示单元显示电池组容量。

1.1 单片机小系统

单片机采用STC12C5A60S2系列单片机，该单片机和常用的进口MCU芯片AT89C51系列相比，运行速度快了6～12倍，将通讯接口与在线编程接口合二为一，FLASH程序存储器空间更大，程序超强加密，价格相对便宜，国产化。STC单片机目前已经得到广泛应用。

1.2 A/D测量电路

A/D测量核心芯片采用MCP3421。MCP3421 为单通道低噪声、高精度、差分输入A/D转换器，分辨率高达18 位，提供微型SOT-23-6 封装。片上精密2.048V 参考电压使得差分输入电压范围为±2.048V （电压 = 4.096V）。该器件使用2 线I2C 兼容串行接口，并采用2.7V 至5.5V 单电源供电。用户通过2 线I2C 串行接口对控制配置位进行设定，从而MCP3421 器件可按3.75、15、60 或240 采样/ 秒（SPS）速率进行转换。该器件具有片内可编程增益放大器（PGA），用户可在转换开始之前选择PGA 增益为x1、x2、x4 或x8。因此MCP3421 在转换很小的输入信号时仍可保持高分辨率。该器件提供两种转换模式：a） 连续转换模式；b） 单次转换模式。在单次转换模式下，器件在完成一次转换后自动进入低电流待机模式，这样可显著降低空闲期间的电流消耗。MCP3421 器件特别适合需要设计简单、低功耗和节省空间的各种高精度模/ 数转换应用。

2.3 大功率直流固态电子开关

模拟储备电池组在未被激活时，内部电子开关断开，电池组输出不带电；激活后，内部电子开关接通，输出插头座输出电能。传统模拟储备电池一般采用的功率继电器或接触器作为开关，其触点属于机械动作触点，带大负载开通关断瞬间会产生火花，且功率机械开关触点寿命次数有限。为了解决此问题，我们设计了无触点固态直流电子开关，设计其通断能力DC200V/100A，见图2。

用功率MOSEFT管IRF150作为功率电子开关，其驱动采用德国Vishay Semiconductor公司的新型光电MOSEFT驱动固态继电器（Photovoltaic MOSFET Driver Solid State Relay）LH1262CB/CAC。

LH1262CB/CAC含两路独立单元，每单元由LED发光二极管和光电池组成，LED由单片机小系统I/O控制和驱动，光电池产生与驱动隔离的浮地电压、电流驱动功率MOSEFT管的珊极， 两只MOSEFT管如图反方向串联组成一路开关，多管并联提高大电流通断能力。

固态直流电子开关使用无开关次数寿命限制，无打火飞弧现象，有效降低EMI。由于大功率直流固态电子开关的试验成功和使用，本文所述系统比传统采用机械开关触点的系统而言，可靠性有较大的提高。

2 软件设计

系统软件采用在Keil C环境下C51语言进行编程，模块化设计，主程序流程图见图3。

程序设计中，为防止干扰，除电路硬件采取常规防干扰措施外，软件设计采用软件陷阱、看门狗、异常测试数据重新测量再确认等措施，所有关键数据写入MCU自带的EEPROM中。

3 应用和实际效果

采用本文原理和软件所设计的产品已经在某系统中得到成功应用，效果良好。其实际通过电子开关输出电流最大达80A，电压最高70V。本文所述原理技术实现了模拟储备电池的基本智能化，相信必将在嵌入式电池控制管理系统中得到大的推广应用。

作者单位

贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市 563000