高精度低功耗五串锂电池保护系统设计

侯 钢，曹 阳，胡越黎，杨文荣，邓 晔

（ 1. 上海电动工具研究所，上海 200031；2. 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200072 ）

高精度低功耗五串锂电池保护系统设计

侯 钢1，曹 阳2，胡越黎2，杨文荣2，邓 晔2

（ 1. 上海电动工具研究所，上海 200031；2. 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200072 ）

针对五串串联锂电池设计一款高精度低功耗的保护系统。采用STM8L151F3作为主控芯片，BQ76925作为模拟前端芯片，实现高精度过压保护、欠压保护、过电流保护、短路保护、高温保护和低温保护，同时具备低功耗以及电池充电均衡的特性。实验结果表明，系统精度高，功耗低，能有效地对电池进行保护。

锂电池 电池保护 高精度 低功耗

0 引言

近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂电池具有容量大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，自问世以来已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等。

由于锂离子电池能量密度高，与镍镉、镍氢电池不同，难以确保电池的安全性。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解产生气体，因内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液分解导致电池特性及耐久性劣化，因而降低可充电次数。所以锂电池必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化。另外，在加热、过充、过放、振动、挤压等滥用条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏，甚至会发生着火、爆炸等事件。因此，对动力锂电池进行科学的管理是锂电池应用关键技术。通用电池管理系统主要完成对电池的电压、电流、温度进行检测并执行保护措施。如果电池管理系统对电压、电流等信号的采样不准确，将导致误保护或误恢复现象，从而影响系统的有效性。因此，高精度采样是该系统的主要研究热点。电池管理系统一般由电池直接供电，电池管理系统的低功耗管理能使电池的使用寿命更长。

本文综合考虑电池的安全性和使用寿命，结合实际的用户体验，设计了一种五串锂电池管理系统。该系统采用STM8配合模拟前端BQ76925的方式实现了对电池电压、电流、温度的高精度采样，针对不同的BQ76925芯片对采样值进行校正，从而使得过压、欠压、过流、过温等保护有效精确，同时能在长时间待机情况下进入低功耗模式，并有多种唤醒方式，能通过按键显示电池当前电量，在充电过程中对电池电压进行均衡。实验测试表明，该系统能够可靠高效地保护电池，延长电池使用寿命。

1 保护系统工作原理

电池管理系统具有过压、欠压、过流、过温保护，低功耗管理，按键电量显示，充电状态电池均衡等功能，其工作原理如图1所示。STM8通过I2C接口配置BQ76925内部放大器的增益参数，BQ76925获取五串锂电池组上各节电池的电压信号、电池充放电回路上的电流信号以及电池组的温度信号，将信号放大处理后提供给STM8采样。STM8根据采样信号做出系统状态判断，并输出相应的MOS管控制信号和显示信号。当锂电池长时间处于待机状态，既不放电也不充电状态时，STM8将BQ76925拉入休眠状态，实现低功耗。用户可使用按键、插入负载、插入充电器等方式通过唤醒电路将BQ76925从休眠状态唤醒，使系统恢复正常工作。

图1 系统工作原理图

当采样到任意一节电池电压超过4.200 V，且持续时间超过1 s时，系统进入过充电状态，此时STM8关闭充电MOS管，当所有电池电压均低于4.100 V时退出过充电状态，重新打开充电MOS管。当任意一节电池电压低于2.900 V，且持续时间超过1 s时，系统进入过放电状态，此时STM8关闭放电MOS管，并将BQ76925拉入休眠状态。当采样到的主回路电流超过过流保护阈值20 A、50 A、70 A，且分别持续600 ms、200 ms、60 ms，系统进入过流状态。当按下按键，系统可从低功耗模式唤醒并根据电池电压显示当前电池电量。

2 保护系统硬件设计

2.1保护报警功能

TI公司的BQ76925内置输入多路选择器、电平位移器和计数器、1.5/3.0 V低漂移基准电压、可变增益电流传感放大器、可开关电热调节器偏压输出、含动态可调阈值的过流比较器以及可控电池均衡MOSFET。它能够将单节电池电压、电流、电池温度转换成电压信号提供给STM8采样。而STM8可通过I2C接口对BQ76925内部寄存器进行配置，从而控制电池电压的输出、电流传感放大器的增益、过流比较器的阈值、均衡MOSFET的开断。

系统采样硬件结构如图2所示。BQ96925内置的3.3 V线性稳压源给STM8供电，并作为STM8的ADC参考电压。五串电池的端电压分别接入BQ76925，可由STM8通过I2C接口配置选择输出到VCOUT引脚的电池电压。电流感应电阻上的电压通过BQ76925内部的传感放大器放大后在VIOUT引脚上输出，反映充放电回路中的电流。引脚VTB输出3.3 V，外接分压热敏电阻可提供温度信号采样。VREF引脚输出3.0 V低漂移基准电压，由STM8采样可对ADC的参考电压3.3 V进行校准。ALERT引脚是BQ76925内置过流比较器的输出，当SENSEP和SENSEN两端电压超过一定阈值时，ALERT端输出低电平，接入STM8的外部中断引脚可以对过流产生迅速的反应，即关断放电或充电MOS管。

图2 系统采样硬件结构图

STM8根据采样到的电压、电流、温度信号判断是否出现过压、欠压、过流、过温等故障，并在出现故障时关闭相应的MOS管。同时，LED显示各自的报警状态，此后当电压、电流、温度满足恢复条件时重新打开MOS管并清除报警显示。

2.2自动唤醒功能

当电池出现欠压故障或长时间未使用时，STM8会向BQ76925发送sleep命令，此时BQ76925将仅保留ALERT端的高电平唤醒功能而将其他功能全部关闭，包括给STM8供电的3.3 V电压，这样整个系统进入了低功耗状态。本系统设计了能自动将BQ76925唤醒的功能，其电路结构如图3所示。

图3 自动唤醒硬件结构图

自动唤醒功能包含三种方式：按键唤醒、充电器插入唤醒、负载插入唤醒。当系统进入低功耗状态时，BQ76925提供给STM8的3.3 V供电电压不工作，因此放电MOS管和充电MOS管都处于关断状态。当按键按下时，来自于电池的高电压驱动NMOS管M2打开，将PMOS管M1栅端的信号拉低，此时电池的高电压可以拉高BQ76925的ALERT引脚，从而唤醒BQ76925，实现按键唤醒。当插入充电器时，由于充电器电压比电池电压高，且充电器和电池正极相连，故电池的负极电势要比充电器负极电势高。这样会打开NMOS管M3，将PMOS管M1栅端的信号拉低，实现充电器插入唤醒。当插入负载时，由于负载阻抗较小，且放电MOS管此时处于关断状态，负载会将PACK-端上的电压拉高，从而打开NMOS管M4，拉低PMOS管M1栅端的信号，实现负载插入唤醒。

3 高精度采样

图4 增益误差和偏置误差

单片机STM8L151F3中内置的12位ADC能够实现较精确的电压信号采样，但由于参考电压的浮动以及BQ76925内置的传感放大器增益存在漂移误差，对电池电压、电流、温度的采样并不能达到很高的精度。产生的增益误差和偏移误差如图4所示。本文使用BQ76925内置的误差修正系数来对采样到的信号进行修正，该修正系数在芯片生产时已保存到芯片内部的EEPROM中，可通过I2C接口由STM8读取并用来对采样信号进行增益和偏移修正。由于提供给STM8的ADC参考电压并不稳定，STM8还需要实时采样BQ76925输出的3.0 V低漂移基准电压来校准ADC参考电压。

4 软件设计

图5 主程序流程图

系统主程序流程如图5所示。上电复位后，首先初始化STM8配置，包括时钟、I/O口、ADC、定时器、I2C接口的配置，再通过I2C接口初始化BQ76925配置，选择Vref输出3V基准，设置电流传感放大器的增益为4，电压传感放大器增益为0.6，电流比较器的阈值电压为100 mV。完成初始化配置之后开启定时器计数，每10 ms执行一次操作，先判断是否发生ALERT外部中断，发生则说明产生过流，立即进入电流保护子程序，而不会再对电压或温度进行检测。未发生过流的情况下，每100 ms STM8轮询检测一遍五串电池电压，若发现电池电压最大值与最小值之差超过20 mV，则开启均衡措施，否则直接进入电压保护子程序。未发生过流的情况下，每1 000 ms STM8检测一次温度，并执行温度保护子程序。除了保护措施，软件中还根据五节电池的电压计算出电池的电量，并可通过按键产生的外部中断在LED灯上显示电量3 s。当电池5 min内既没有充电也没有放电，或电池进入欠压状态时，STM8通过I2C接口将BQ76925拉入睡眠状态，从而实现低功耗。

5 系统测试及结果分析

采用一组可调直流稳压电源和一组串联电阻来模拟五串锂电池的电压，这样可以通过调节加在串联电阻上的总电压来调节串联电阻中的最大电压和最小电压。测试方法如下：

1）过压保护功能：用高精度电压表测量串联电阻中的最大电压值，缓慢调高总电压并注意观察显示模块，发现过压保护报警后立即停止调节，并记录当前最大电压值。

2）欠压保护功能：测量串联电阻中的最小电压值，并缓慢降低总电压，出现欠压保护报警后立即停止调节并记录当前最小电压值。

3）过流保护功能：在BQ76925的SENSEP和SENSEN两端外接100 mV的小电压，以模拟流过5 mΩ采样电阻的电流20 A，50 A和70 A则分别用250 mV、350 mV来模拟。用示波器同时观察SENSEP上电压和放电MOS管栅端电压，并记录保护延迟时间。

4）高温保护功能：用温度计测量热敏电阻温度，分别在充电和放电状态下对热敏电阻加热，观察充电MOS管和放电MOS管栅端上的信号。

5）低功耗管理功能：将系统静置5 min后观察BQ76925的V3P3端是否存在3.3 V电压，电压消失说明系统进入低功耗模式，分别使用按键、插入负载、插入充电器三种方式将系统激活。

6）电量显示功能：按下按键，观察电量显示值，调节串联电阻总电压并观察电量显示值是否发生变化。

表1 实验测试结果

测试结果如表1所示。该结果说明系统能够对电池进行保护，且保护精度较高。系统静置后能顺利进入低功耗模式，三种唤醒方式均可将其唤醒，按键后能持续显示3 s电量值，电量值能根据电池电压变化。

6 结论

本文介绍了五串锂电池保护系统的设计，给出了整体的设计方案和主要的流程图，从软件和硬件两部分介绍该方案。此方案实现了对锂电池的电压、电流、温度的保护，同时还具有高精度、低功耗、自动唤醒、电量显示等特点，这更符合实际情况和客户要求。使用该保护系统方案的锂电池能有更长的使用寿命和更安全的使用环境，该系统具有广泛的应用前景。

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Protection System Design for 5-Lithium Battery with High-precision and Low-power

Hou Gang1, Cao Yang2, Hu Yueli2, Yang Wenrong2, Deng Ye2
（1、Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China）
(2、Microelectronic R&D Center, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

This paper provides a design of five-Lithium battery in series protection system with high-precision and low-power. Using STM8L151F3 as its main control chip and BQ76925 as its anolog front end chip, this system provides high-precision overvoltage protection, undervoltage protection, overcurrent protection, short circuit protection, overtemperature protection and undertemperature protection. Meanwhile, it also possesses characteristics of low power and voltage balance during charging. The experimental results indicate that this system can protect the battery effectively with highprecision and low-power.

Lithium battery Battery protection High-precision Low-power

TM910.6

A

1674-2796（2014）03-0001-06

2014-04-10

侯钢（1958—）男，硕士，高级工程师，主要从事电气自动化及科研管理工作。