一种锂电池电量监测模块的设计与实现

雷 巍,申 健

(1.中国兵器装备集团自动化研究所，四川 绵阳 621000；2.成都晋林工业制造有限公司，四川 彭州 611900)

一种锂电池电量监测模块的设计与实现

雷 巍1,申 健2

(1.中国兵器装备集团自动化研究所，四川 绵阳 621000；2.成都晋林工业制造有限公司，四川 彭州 611900)

本文针对一种便携式设备在使用中需要对锂电池电量实时监测的需求，设计了一种锂电池电量监测模块，并对其软硬件设计进行了详细介绍，最后实现了对锂电池电量实时监测的功能。该模块已成功应用于某项目中，具有接口电路设计简单，软件开发难度低，运行稳定可靠等优点。

锂电池；电量监测；BQ40Z60

随着电子设备技术的快速发展，便携式设备由于具有体积小、重量轻、使用携带方便等优势，应用场合日益广泛。目前在便携式设备中通常采用可充电锂电池供电，锂电池相比其他类型电池，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长，具有体较小、重量轻、能量密度大等特点，因此被广泛应用于各类便携式电子设备中。

在使用便携式设备时，其工作及待机时间成为设备发挥作用的关键因素，其中锂电池的当前状态是用户最关注的问题，包括电池电压、剩余电量、估计供电时间、温度等诸多信号，所以电量的实时监测就显得非常重要。本文针对某种类型便携式设备的使用需求，设计了一种锂电池电量监测模块，对其软硬件设计进行了介绍，最后实现了锂电池电量的实时监测，并通过SMBus总线传送至计算机模块，该模块电路简单，可靠性高，能应用于带有SMBus接口的计算机系统。

1 模块电路设计

1.1 模块总体设计思路

将锂电池的正负极分别接到电量监测模块的PACK+和PACK-接口上，电量监测模块通过电池管理单元BQ40Z60进行充电控制输出和电量监测，然后通过SMBus总线将采集的锂电池当前剩余电量等实时信息传送到具有SMBus接口的嵌入式计算机等设备，达到实时监测便携式设备中锂电池状态的目的，系统连接如图1所示。

图1 系统连接图

1.2 芯片BQ40Z60说明

BQ40Z60是TI公司生产的一款可编程的电池管理单元，其集成有电池充电控制输出，电量监测和相关保护功能，能够完全自主地操作2～4节串联锂离子和锂聚合物电池组。此架构在电量监测处理器与电池充电控制器之间实现内部通信，从而在系统负载瞬变和适配器电流限制期间根据外部负载条件和电源路径来源管理来优化充电量，还可通过NFET、电感和感测电阻等外部元件针对具体功率传输情况来调节充电电流效率。

该器件提供了电池阵列和系统安全功能，包括电池放电过流、充电短路和放电短路保护，以及针对N沟道FET的FET保护、内部AFE看门狗和电池断开连接检测，器件可通过固件提供更多保护功能，包括过压、欠压和过热等。BQ40Z60内部集成有用于库伦计数器的16位高分辨率积分器，16位模数转换器(ADC)，可通过16通道多路复用器来实现电压、电流和温度的精密测量。该器件支持两线制SMBus V2.0接口，工作频率选项最高可设定为400 kHz。

1.3 模块接口电路说明

电量监测模块通过芯片BQ40Z60和其他外围辅助元件来实现锂电池的充电控制输出、电量监测和相关保护等功能。本设计中使用的锂电池为4节串接锂电池组，电压输出范围为+12 V～+16.8 V，监测模块的接口电路原理图见图2所示。

图2 接口电路原理图

模块中的芯片BQ294700和其它NFET、电感和感测电阻等外部元件组成充电过压监视器和保护器以及充电电流控制输出。BQ294700是TI公司生产的一款用于锂离子电池组系统的过压监视器和保护器，可独立监控每节电池是否具有过压状态，当检测到任意电池上存在过压状态时，即会启动外部延迟计时器。在延迟定时器超时时，输出被触发进入其激活状态(根据配置的不同为高电平或低电平)。外部延迟定时器的特性还包括CD引脚上开路或者短路延迟电容器(这也将在过压条件下触发输出驱动器)的功能。本设计中电池充电器的电压工作范围为+4 V～+25 V。

该电量监测模块可监测2～4节串联锂离子和锂聚合物电池组，还可以通过芯片BQ40Z60的VC1至VC4管脚的不同连接和VFB管脚对应的调节电阻R1、R2的阻值的选取来设定可监测锂电池的组数和电压范围。当监测的锂电池的组数为2时，电压范围为6～8.4 V，此时R1的阻值应选取为332 k，R2的阻值应选取为56.13 k；当监测的锂电池的组数为3时，电压范围为9～12.6 V，此时R1的阻值应选取为332 K，R2的阻值应选取为35.63 k；当监测的锂电池的组数为4时，电压范围为12～16.8 V，此时R1的阻值应选取为332 k，R2的阻值应选取为26.1 k。

锂电池当前的详细状态信息通过芯片BQ40Z60的SMBus接口发送到嵌入式计算机，完成电量监测等功能。

2 软件设计说明

由于BQ40Z60是一款功能强大的芯片，能够完全自主地操作2至4节串联锂离子和锂聚合物电池组，与主控制器之间只需要进行SMBus通信即可。监测模块通过SMBC和SMBD两线制与主控制器之间通信。BQ40Z60的寄存器主要有：电流寄存器、电流累计寄存器、电流偏置补偿寄存器、电压寄存器、温度寄存器和温度保护阈值寄存器等，图3为芯片BQ40Z60内部寄存器控制命令读取图：

3 结束语

本文针对一种便携式设备在使用中需要对锂电池电量实时监测的需求，设计了一种锂电池电量监测模块，并对其软硬件设计进行了详细介绍，最后实现了对锂电池实时监测的功能。该模块已成功应用于某项目中，具有接口电路设计简单，软件开发难度低，运行稳定可靠等优点，能适用于具有SMBus总线接口的嵌入式计算机系统中。

图3 寄存器控制命令读取图

[1] 谢卓,赵朋斌.一种锂电池电量监测电路设计方法[J].现代电子技术,2012,1(1)：192-194.

[2] 唐慧强，李超.基于CC2530的锂电池电量检测系统的设计[J].化工自动化及仪表,2011(3)：1144-117.

[3] 李演明，毛翔宇，全思，等.一种用于锂电池充电IC的电池检测电路[J].微电子学,2013，43(3)：354-358.

DesignandImplementationofaLithiumBatteryMonitoringModule

Lei Wei1， Shen Jian2

(1.AutomationResearchInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation,MianyangSichuan621000,China;2.ChengDuJinLinIndustrialmanufacturingCO.,LTD,PengzhouSichuan611900,China)

Aiming at the real-time monitoring needs of lithium battery power for a portable device in use, this article designs a lithium battery power monitoring module, and introduces in details the software and hardware，and finally realizes the real-time monitoring function of the lithium battery power. The module is successfully applied to a project with the characteristics of simple interface circuit design, low difficult for software development, stable and reliable operation and so on.

lithium battery; power monitoring; BQ40Z60

2017-10-10

雷巍(1984- )，男，重庆人，2007年毕业于重庆大学，主要从事自动控制方向的研究。

1674- 4578(2017)06- 0025- 03

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