便携式电动工具锂电池管理系统的设计

摘 要： 对于应用多串锂电池组的手持式气动工具，设计了一个智能化锂电池组管理系统，此系统以ML5238为前面采集处理芯片，单片机设计ML610Q488为基础控制板。此系统可检测5~16串锂电池组，并且具有工作电压采集、电流量采集、温度采集、过充保护、亏电维护、过流保护、温度报案、显示电量估计、电池均衡等服务。经测试表明，此系统具有较好的检测精度及可靠性，彻底达到携带式气动工具锂电池管理系统的设计要点。

0 前言

近些年，驱动力锂电池凭借优质性能，逐渐替代了铅酸蓄电池而普遍使用。锂电池具备体型小，比能量高，循环系统坚固耐用等特点[1]，也让它变成携带式气动工具的***佳选择充电电池电力能源。但在串连锂电池组的使用中，因为锂电池的化学性质和单体电池的不一致性可能会导致锂电池组的过度充电、亏电、持续高温的现象，进而影响锂电池组的工作环境甚至造成系统崩溃。但是为了确保串连锂电池组的安全性、合理应用，本研究并制定了一种基于前面采集处理芯片ML5238的锂电池管理系统[2-3]，该产品具有锂电池组数据信息采集、显示电量（State Of Charge，SOC）估计[4]、电池均衡、锂电池组常见故障维护、上位机软件通讯等服务。

1 锂电池管理系统的硬件开发

本系统开发选用日本罗姆企业的前端数据采集处理芯片ML5238重点对锂电池组各项指标开展采集，ML5238就是针对多串锂电池组的信息采集处理芯片，它在正常运转状况下功能损耗仅是50 μA~100 μA，断电状况下更加是只有0.1 μA~1 μA的低功耗。该系统主板芯片选用罗姆企业的8位低能耗微处理器ML610Q488，ML610Q488内嵌48 KB可编程FLASH ROM、2 KB的Data RAM、4安全通道12位高精密ADC，并且具有好几个可编程终断和可编程看门狗程序，有着2个UART插口和1个I2C总线接口和丰富的外接设备网络资源，特别适合锂电池管理系统设计。

1.1 锂电池管理系统硬件配置框架图

该系统由前端数据采集处理芯片ML5238和单片机设计ML610Q488构成，其硬件配置结构框图如下图1所显示。ML5238搭载了3.3 V低电压差线性稳压器，能够直接驱动外界MCU，与此同时也实现了高压低压隔离的作用。ML5238与ML610Q488之间用SPI系统总线相接，依据ML610Q488的指令，ML5238对锂电池组各项指标开展采集并回发送给MCU。MCU接受到各项指标后予以处理，若工作电压、电流量、温度数据信息超出事先设定的维护阀值，则运行亏电、过度充电、过电流、温度等有关常见故障维护。若工作电压标值做到事先设定的电池均衡阀值，则运行电池均衡。***终MCU根据SOC优化算法，估计出显示电量并形象化显现出来。

1.2 工作电压采集电路原理

锂电池管理系统必须***测量出串连锂电池组中每一个单个电池的电压，***电压检测精度是控制亏电、过度充电的保障，与此同时***电压检测精度还可以提高SOC算法估计精密度。图2所显示为串连锂电池组工作电压采集电源电路。ML5238依据MCU的指令采集到蓄电池的电压信号并通过VMON管脚导出，MCU然后通过A/D转化获得充电电压值。图2里的RC低通滤波电路规避了电压信号里的高频分量，稳压二极管则能够很好地维护处理芯片，这可以平稳准确地测量电流数据信息。

1.3 电流量采集电路原理

电流是锂电池组运行状态的主要主要参数之一，是断定是否存在过电流的重要依据，都是安时积分法估计显示电量的主要主要参数，因此电流检测的***度也直接关系到SOC优化算法估计的精密度。该系统电流量采集电源电路如下图3所显示，在ISM和ISP引脚间接性入捕获电阻器R1，ML5238可以将捕获电阻器R1两边的电压差变大10倍或是50倍后往IMON引脚导出，MCU根据A/D变换采集到电流值。IMOM引脚输出电流值由式（1）得出：

VIMON=（I×R1）×GIM 1.0（1）

在其中VIMON为MCU所得到的电流值，R1为电流量捕获电阻的阻值，GIM为根据软件使用的电压增益放大倍率。因为在锂电池组电池充电和充放电时电流是反过来的，为了能防止出现负电位，该系统IMON引脚以1 V做为0电流量电压定位点。因此电流量就可以通过式（1）测算得到。

1.4 电池均衡电路原理

锂电池尽管凭着优质性能普遍使用，但实际应用中，因为串连锂电池组内各单体电池有所差异，在同样的充电放电电流量下，长期使用后毫无疑问会有单个电池过充或亏电状况，可能会导致锂电池组不可以正常运转甚至还有安全性风险。所以必须要在锂电池管理系统里加入电池均衡的功效[5-6]。

现阶段电池均衡技术性依照平衡的卡路里消耗方法主要分损耗式平衡与非损耗式平衡。损耗式平衡通常是把高用电量电池动能根据电阻器消耗做到平衡。非损耗式平衡主要通过能量转换的办法把高用电量电池能量转换到低电量模式电池上。非损耗式平衡尽管合理利用了动能，但构造较为复杂、成本相对高。损耗式平衡尽管存有动能消耗，可是电路结构简单，热值也小。充分考虑该系统主要是针对携带式气动工具，锂电池组工作电压并不大，因此选择选用损耗式平衡技术性。

该系统的电池均衡电源电路如下图4所显示，在每一个充电电池旁都串联一个电阻器平衡电源电路完成电池均衡。为了能获得更好的平衡实际效果，该系统可以从手机中设定平衡开启电压值、平衡开启电压差、平衡完毕电压差和平衡时长这种主要参数，当各单体电池电流值达到平衡开启电压值与平衡开启电压差后，MCU则发送命令打开相匹配电池电源开关MOS整流管完成电池均衡，当平衡后电流值达到平衡完毕电压差和做到平衡时间时，MCU则发送命令关掉MOS整流管来终断电池均衡。该系统平衡电流量较大可以达到100 mA。

2 锂电池管理系统软件开发

锂电池管理系统的硬件构建结束后，系统软件控制以及各种常见故障保护作用及SOC估计则需要根据MCU去完成。本系统总流程表如下图5所显示，系统软件打开后是从内部结构Flash中载入程序流程并设置各种主要参数。然后系统软件逐渐先后检验各单体电池工作电压、温度和电流。若检验结果超出设置阀值则运行对应的过度充电、亏电、过电流、电池均衡等防御机制。通过SOC优化算法得出来的显示电量将采取5颗LED灯形象化显现出来。系统软件还可通过上位机软件来载入各类采集数据以及设定各种主要参数。

3 功能测试和分析

功能测试采用8串14500磷酸铁锂电池组，单个额定电流为3.2 V，单个短路容量为700 mAh。试验先人为对各个单体电池开展充放电，便于验证系统电压检测精度电池均衡实际效果。对充放电后8串锂电池组实时监测，工作电压表明于上位机软件页面中，如下图6所显示。上位机软件中还会继续表明电流量、温度等相关信息，各类常见故障保障的频次就会被上位机软件纪录，这时SOC显示的是20%。

然后对8串锂电池组进行充电，在电池充电环节中统计数据如下图7所显示，因为事前的人为充放电，锂电池组工作电压发生不一致的状况，伴随着充电再次这类不一致性还将继续变大。这时系统将检测到必须平衡的单体电池并分别进行平衡。

充满电后电压统计数据如下图8所显示，锂电池组各单体电池电流值早已趋向一致，达到电池均衡的设计要点。这时SOC显示的是100%，说明充满电。为验证系统电压测量精密度，应用万用表检测得各单体电池的实际电流值，对人为因素充放电后检测电流值和实际值解决剖析，结论见表1所显示。由表格中数据信息得知系统软件电压检测精度皆在±5 mV内，充分满足系统软件设计要点。

4 结语

伴随着应用锂电池组的气动工具不断增长，锂电池组管理系统变成必不可少的一部分。文中制定了一套适用携带式气动工具的锂电池组管理系统，此系统***多可检测16串锂电池组，具有较高的电压测量精密度，可以达到±5 mV，该系统还具备电池均衡、SOC估计和各种常见故障处理等作用，具有非常好的实用价值。

论文参考文献

[1] 吴宇平，万春荣，姜长印.锂离子电池二次电池[M]．北京市：化学工业出版社，2002.

[2] 杨飞.磷酸铁锂电池动力锂电池管理系统的探索[D].重庆市：湖南大学，2010.

[3] 陈仕俊，郑敏信，满永兴.根据STM32和LTC6803电池管理系统设计方案[J].电子电源，2015，39（2）：280-283.

[4] 李旭，卢兰光，欧阳明高.提升安时积分法估计用电量SOC精密度方式的较为[J].清华大学学报，2010，50（8）：34-39.

[5] 张金龙.动力电池组SOC估计及平衡控制措施科学研究[D].天津市：南开大学，2011.

[6] 黄勤.串连锂电池组高质量平衡管理制度设计与开发[J].计算机科学，2011，37（12）：226-229.