基于OZ3705的电池管理板设计

李 围，赵 胜，徐进，聂 巍

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

基于OZ3705的电池管理板设计

李 围，赵 胜，徐进，聂 巍

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对锂电池的实际使用需求，本文介绍了一种基于OZ3705电池管理芯片设计的低功耗电池管理板。本文详细介绍了该电池管理板的芯片选择、硬件设计和软件设计。实际结果表明这种管理板电路结构简单，功耗低。另外，由于主要利用软件实现各种功能，该管理板利于进行功能改进。

OZ3705 电池管理板 低功耗

0 引言

出于能源和环境的考虑，新能源受到越来越多的关注，其中锂电池作为一种安全又环保的电池受到很大重视[1]。但由于二次锂电池自身的特性，过充、过放、高温、短路等都会对电池性能产生很大的影响，而且也会带来很大的隐患。因此，在使用二次锂电池时必须给电池组配上管理板，对锂电池组进行管理，从而保证锂电池组的安全稳定可靠，并延长电池的使用寿命[2]。目前，电池管理系统是一个研究热点，对于锂电池管理板的研究有很多。电池管理板在锂电池工作过程中时刻监视电芯的电压和充放回路的电流，根据检测到的电压电流温度情况控制回路的通断，从而实现对电池的管理[3-5]。

目前很多电池管理系统外部电路很多，使得管理板电路复杂，并且功耗较高，不适应本管理板的设计需要。针对实际需求，本文利用OZ3705芯片集成均衡开关和高精度 12bitADC的特点，设计了一种结构简单，功耗低且功能满足要求的锂电池管理板。

1 管理板功能架构

本电池管理板主要用于四串三元锂电池的保护和管理，通过管理板使得电池组能够安全、稳定、方便的使用。管理板主要的功能有：

1）电量指示功能和低压报警功能。电池组在充电状态、放电状态和搁置状态都具有电量指示和低压报警功能。电量指示分为5格，充电时相应电量指示灯会闪亮，低于当前电量的指示灯长亮。在放电状态和搁置状态时，按下电量显示开关，对应的电量指示灯就会亮起一定时间。当电池电压低于一格电时，进入报警状态，接入充电器开始充电后报警解除。

2）低压保护功能：当电池组电压低于设定电压时，电池组不能充放电。

3）高温保护功能：当检测到温度高于设定温度时，电池组会停止输出，按键或切换负载会重新输出。

4）短路保护功能：当电池短路时电池组保护无输出，短路解除后恢复。

5）充放电过流保护功能：当充电或放电电流过大时，电池组保护，充电会停止，切换负载或按键恢复。

6）充电过压保护功能：当电池组中某个电芯电压大于设定电压时，电池组会过压保护，充电就会停止。

7）放电欠压保护功能：当电池组放电至某个电芯电压低于设定电压时，电池组会停止放电。电池组接入充电，保护状态解除。

8）充电均衡功能：在充电时当任意两个电芯的电压差值超过设定值时，电池会通过电阻放电进行均衡减小电压差值。

2 管理板硬件设计

电池管理版主要由控制IC、电压检测电路、MOS开关、电阻、电容及辅助器件FUSE、PTC、NTC等组成。其中控制IC在电池包的状态正常时控制 MOS开关导通，使电芯与外电路导通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立即控制 MOS管开关关断，保护电芯的安全。通常情况下MOS开关有2个，一个控制充电一个控制放电。

本管理板的设计中采用一颗前端电池管理芯片和单片机结合的方式对整组电池进行管理。前端IC主要采集电芯的电压，电池包的温度和回路电流，MCU通过I2C通讯获得前端IC采集到的电池状态，采取相应的动作控制充放电 MOS管的导通与关断实现对充放电的控制。

3 硬件电路设计

3.1 电池管理芯片的选型

在本管理板的设计中，对于电量指示的要求很高，每格电量显示准确度必须满足误差小于5%，而且要求管理板的静态功耗小于30 μA。为了满足这些要求，并且考虑到简化电路和成本的问题，在管理板的设计中前端电池管理芯片采用了美国凹凸电子公司的OZ3705。

OZ3705内部集成了高精度AD采样，是一个能够支持 3-5串锂电池的数字前端电池管理芯片。OZ3705过内部集成的高精度12bitADC，能够准确测量电池包中每个电芯的电压，同时也可以采集电池包的电流、温度，并通过I2C通讯传送给MCU，通过利用采集到的信息MCU就能做出相应的动作来保护电池。OZ3705集成一个3.3 V的差分线性稳压器，最大可输出3mA的电流。休眠时静态功耗小于15μA。同时集成均衡开关，断线检测，极大地简化了电池管理方案的设计。同时芯片还集成了过流和短路检测等功能，使得管理板在过流和短路时能够迅速的动作，缩短了管理板的响应时间，从而提高了电池的安全性。

3.2 硬件电路的设计

管理板由前端管理芯片和附属电路，MCU和功能电路组成，其硬件结构框图如图 1。由于前端管理芯片集成均衡开关和温度保护，只需要很少的外围电路就可以实现温度保护和电流均衡的目的。前端芯片采集电池的电压、电流和温度，然后通过I2C通讯传给MCU。根据实际功能要求，MCU就可以控制充放电MOS实现温度保护。通过控制前端芯片开启均衡开关，实现均流。

由于管理板充放电同端，因此必须要求负载检测电路用来分辨负载类型。在设计电路时把充电器和负载都认为是负载，然后根据采样电阻检测到的电流方向来判断处于充电状态还是放电状态，电流采样通过前端芯片的电流采样通道实现。MCU根据前端芯片传递的信息控制前端芯片均衡电路和温度保护电路的动作，并控制蜂鸣器电路、按键电路、MOS管控制电路和LED指示电路。为了增加温度保护的可靠性，MCU也可以通过温度传感器检测电池包的温度，实现双重保护。

4 软件设计

在实际工作中电池有三种工作状态，即待机、充电和放电状态。在待机状态，MCU休眠，此时电池处于低功耗状态，充放电MOS管关闭。MCU被唤醒有三种情况，按键、接负载和接充电器。在待机和放电状态，可以通过按键显示电量。当电池组接入负载，MCU就会检测是否有电流流入，从而判断是否进入充电状态，否则进入放电状态。因此，在程序设计时，根据功能需要设计了三个中断点，即负载检测中断、按键中断和定时器中断。

在充电状态，MCU根据前端芯片传递的信息，使充电 MOS常开，并显示电量，直至充满后进入休眠。如果检测到过压、过流、短路、过温等情况时会关闭充电 MOS停止充电并采取相应的报警提示，然后进入休眠状态。在放电状态，程序运行过程和充电过程时一样，只是对于电压管理的参数设定不一样。充电设定过压，放电设定低压和欠压。MCU程序执行按照顺序逻辑实现，软件工作流程图如图2。

在具体实现的过程中，前端芯片实时监测电池的电压、电流和温度状态，然后通过I2C通讯传递给MCU，MCU根据电池的状态按照程序设定的流程和参数做出相应的处理，通过对管理板上相应电路的控制实现对电池的控制，从而达到保护电池的目的。

图1 管理板硬件设计框图

5 结语

本文基于电池管理芯片 OZ3705，设计了一个由于四串锂电池的管理板，经过实际测试，管理板完全满足各项设计要求。并且，该管理板硬件结构简单，利用很小的尺寸完成很多的功能。由于大部分的功能使用软件实现，本管理板能够根据实际的需要调整管理板的功能，使得保护板的应用范围更广。由于使用了OZ3705芯片，管理板具有很低的功耗，电池的容量利用率变得更高。

图2 软件工作流程图

[1] 何夏. 电动自行车锂电池组均衡充放电保护板的开发设计[D]. 广西大学, 2013.

[2] 夏鲲, 季诺, 曹斯佳. 一种锂电池组均衡充电保护板设计[J]. 电气传动, 2010, 40(12): 68-72.

[3] 盛宝栋. 锂电池管理系统的设计和实现[D]. 山东大学, 2013.

[4] 唐涛. 锂离子电池组管理系统的设计[D]. 安徽大学, 2015.

[5] 王保柱, 王倩, 陈书旺，等. 基于 MAX11068芯片的锂离子电池管理系统的设计[J]. 河北科技大学学报, 2013, 40(5): 440-445.

OZ3705-base Design of the Batteries Management System

Li Wei, Zhao Sheng, Xu Jing, Nie Wei
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

According to actual needs of a lithium battery pack, a battery management board with OZ3705 is presents. The chip selection, hardware design and software design of battery management board are introduced in detail in this paper. The practical results show that the circuit is simple in structure and low in power consumption. with various function of the board to realize by software, the board is easy to improvement.

OZ3705; battery management board; lower power consumption

TP274

A< class="emphasis_bold">文章编号：1

1003-4862（2017）02-0071-03

2016-08-01

李围（1988-），男，研究生。研究方向：控制理论与控制工程。E-mail: liweiwuda0911@126.com