电池管理系统

2018年9月26日星期三

ColibriCarrier Board欢迎阅读本博文,这里我们将向你介绍在嵌入式系统中锂电池的应用概况。本文将是 4 篇系列文章的第二篇。第一部分,请在 这里阅读。

正如我们已经知道的,我们需要在载板上使用智能系统为电池组实现控制、保护和充电功能。其必须具备电流和电压保护。我们希望能够在任何时刻都可以监控每个电池单元的准确电压。如果我们使用串联配置,那么还需要有平衡系统,用于保持每个单元在相同的充电水平。配合充电电路,这些组件就组成了电池管理系统。每个生产商都会提供不同的方案,有些设备集成了多种功能,所以我们必须仔细选择。在本文中,我会向你提供一些有用的链接作为参考方案的开始,当然,在下面列表之外还有更多的供应商。

http://www.ti.com/power-management/battery-management/overview.html
http://www.analog.com/en/products/power-management/battery-management.html
https://www.richtek.com/battery-management/en/index.html
https://www.renesas.com/in/en/products/power-management/battery-management-system-tutorial.html
https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management.html
http://www.lapis-semi.com/en/semicon/monitor/index.html

对于我们更加重要的是理解系统方案。所以我们需要首先看一下通用的系统框图。

General battery management system overview
通用电池管理系统框图

让我们从一般的工作模式开始。载板上的 计算机模块和外设由电池组供电。电池组具有电压保护和电池单元平衡功能。这取决于你的电池组,可能这些功能已经集成其中。如果你使用的是由两个电池单元串联而成的 2S1P 电池组,那么这些功能需要在载板上实现。电量计测量电池的电流和电压。通过充电计量(库伦)可以知道实际的充电状态。稳压器确保为电路提供所需的电压,而不受电池电压变化的影响。电压转换器的输入电压至少需要拥有和电池同样的范围。让我们来考虑下几个要点。根据不同的电池电压,转换拓扑可能是降压、升压甚至降压-升压转换器。转换器需要能够提供足够的电流输出并且较低的功率耗散。在待机模式下需要保持极低的功耗,这一点非常重要,否则电池将会随着时间推移而被放电。

我们如何进行充电?外部电源用于电池充电。我们需要一个充电方案来实现衡流和衡压充电方式。为了使用衡流充电,充电方案必须提供高于电池现有电压的充电电压。很简单,再也没有比智能稳压器更好的选择了。关于输入和输出电压、功率耗散和拓扑的设计问题也都是一样。我可举个例子,两节串联的电池组需要使用 9v 或者 12v 外部电源充电。电池充电器只需要使用降压转换器拓扑即可。假设我们的外设和芯片只需要 3.3V 供电,那么也只需要使用输入电压为 5V 到 8.4V 的降压拓扑的电压转换器。针对嵌入式设备,我建议使用 2 单元串联配置,这些设备通常只需要 3.3V 和 5V 电压。第二个 DC/DC 转换器可用于 5V 输出。如果只使用一个电池单元,将会变得复杂。因为其需要降压-升压转换器。我推荐只使用一个电源,这可以用一个简单的充电 IC。但最终这还是由你的应用决定。当你的市场团队需要使用 USB 充电功能时,这也将稍微复杂些。我将会在下一部分的内容中提及这种需求。

在我们简化的通用锂电池管理系统中,你可以找到电池、充电器、DC/DC 转换器之间的切换电路。对于这种切换电路的需求却决于当嵌入式设备在运行期间,你是否想要将完全充电的电池从外部供电电路隔离出来。我建议在充电之后隔离电池和嵌入式系统以及外部供电电路,避免额外的损耗。 计算机模块和充电管理芯片通信获得所有的状态和设置信息。当然,我在博文中没法覆盖所有各种电池管理系统。例如,有些电池组中已经集成了部分电路。这种情况下,电池组一般会提供通讯接口。

我希望我已经阐明了基本的电池管理组件,以便您有一个清晰的概念。现在可以更加容易地理解上面链接的内容,为您的设计选择合适的方案。在本系列的第四篇文章中,我们介绍一个电池管理系统案例,您可以根据你的需求进行修改。

#Embedded Development #Lithium-Ion Battery #NXP® i.MX7
Author Andrija Stojkovic, Hardware Development Engineer, Toradex AG

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