電池管理的重要性已經(jīng)不言而喻。越來(lái)越多的產(chǎn)品正向便攜的方向發(fā)展，使用戶獲得空前的獨(dú)立。幾十年以前，無(wú)繩電話最先為人們提供了在家中漫步的自由。而現(xiàn)在，便攜式可充電產(chǎn)品使人們?cè)谥苡问澜绲耐瑫r(shí)，還能與家人保持聯(lián)系。越來(lái)越多的產(chǎn)品使用充電電池，而隨著產(chǎn)品體積的縮小，這些產(chǎn)品的復(fù)雜程度也在不斷提高。充電電池本身也在發(fā)生變化，電池制造商努力推出適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)的新產(chǎn)品。電池電壓在增加，外形規(guī)格在改變，能量密度也在節(jié)節(jié)攀升。消費(fèi)者對(duì)電池的了解也不斷深入，他們需要產(chǎn)品具有更大的靈活性、更長(zhǎng)的工作時(shí)間、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年來(lái)一直致力于借助PIC單片機(jī)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前，Microchip正將這方面的技術(shù)應(yīng)用到電池管理產(chǎn)品線上，以簡(jiǎn)化并更好地管理充電系統(tǒng)。

方法

首先，將一個(gè)典型的電池管理系統(tǒng)劃分為充電、保護(hù)、電量計(jì)量和安全四個(gè)模塊：

1.充電

基于二次電池的電池組不同于一次電池組，二次電池組在使用后需要充電，而不是象一次電池那樣會(huì)被丟棄。充電電路的種類(lèi)和充電算法多種多樣，它們針對(duì)特定化學(xué)類(lèi)型的電池，在其獨(dú)特的系統(tǒng)環(huán)境中為其適當(dāng)?shù)爻潆姟?strong>充電器的位置也應(yīng)適當(dāng)選擇。充電器是否為獨(dú)立單元：是座充還是通過(guò)轉(zhuǎn)換器的直充;充電器是集成在系統(tǒng)內(nèi)還是在電池組內(nèi);其他重要的考慮因素包括充電時(shí)間、溫度范圍和噪聲要求。Microchip提供多種充電管理產(chǎn)品，可用于單節(jié)或雙節(jié)鋰離子/聚合物電池組的線性充電器。線性充電器的輸出噪音低，對(duì)那些收發(fā)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)顯得非常重要。

對(duì)需要高效率低功耗的設(shè)計(jì)，PS200開(kāi)關(guān)模式充電控制器最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1MHz。它包含為鋰電池、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。由于開(kāi)關(guān)充電器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因此Microchip公司提供了軟件工具，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行IC的配置和電路圖的生成。對(duì)提供充電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)來(lái)說(shuō)，另外一個(gè)解決方案是使用帶充電控制器的電量計(jì)IC。PS501帶有脈沖充電電路來(lái)控制通用輸入/輸出，可達(dá)到這一要求。這種拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)非常緊湊而且成本效益高的解決方案。系統(tǒng)的充電部分是隔開(kāi)的，Microchip擁有所需的算法來(lái)優(yōu)化充電，包括最大限度地提高充電能力、縮短充電時(shí)間，并使顧客達(dá)到最佳的滿意度。

2.保護(hù)

當(dāng)使用鋰離子/聚合物電池時(shí)，必須提供保護(hù)功能，因?yàn)檫^(guò)充或過(guò)熱可引起火災(zāi)或爆炸。鉛酸電池或鎳電池?zé)o需保護(hù)，但也常常為其提供保護(hù)電路以防止電池?fù)p壞或退化。主保護(hù)電路為專(zhuān)用電路，用以檢測(cè)是否發(fā)生了不安全狀況，并在檢測(cè)到不安全狀況時(shí)關(guān)閉電池組以避免損壞。二次保護(hù)電路防止電池在不安全狀況下繼續(xù)充電和/或放電。萬(wàn)一主保護(hù)電路發(fā)生故障，可復(fù)位的二次電路即可提供后備保護(hù)。用戶還可另行增加保護(hù)級(jí)別，如化學(xué)熔絲，當(dāng)其他級(jí)別的保護(hù)失效時(shí)，化學(xué)熔絲可永久關(guān)閉電池組。專(zhuān)用安全I(xiàn)C通常用于主保護(hù)電路。對(duì)于二次保護(hù)和穩(wěn)定保護(hù)電路，電池管理IC是理想的選擇，這是由于它們不額外增加解決方案的成本。Micorchip的電量計(jì)，如PS501和PS810，可監(jiān)控各節(jié)電池的電壓、電池組電壓、電流和溫度。通用輸入/輸出(GPIO)引腳具備強(qiáng)大的配置功能，可設(shè)置和復(fù)位任何可能的電量計(jì)條件。這種靈活性使電量計(jì)可滿足非常復(fù)雜的安全要求。

3.電量計(jì)量

電量計(jì)量不單是對(duì)流入流出電池組的電流進(jìn)行監(jiān)控。精確的電量計(jì)量需要一個(gè)系統(tǒng)方法，綜合考慮典型的使用方式、環(huán)境和客戶期望。理想狀況下，電池管理IC可向用戶提供良好的工作性能，同時(shí)向系統(tǒng)提供所需信息，以便其做出智能化選擇從而提高系統(tǒng)性能。智能化電量計(jì)量算法可以延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和電池壽命，并通過(guò)精確檢測(cè)滿充和滿放點(diǎn)來(lái)提供額外的安全。它們還可探測(cè)和避免電池失衡和過(guò)熱等狀況。這些算法可根據(jù)系統(tǒng)狀況來(lái)調(diào)整，并可以減緩電池老化。它們運(yùn)用電池行為的可配置模型來(lái)確保正確計(jì)算自放電和充電所造成的損耗。這些算法可由客戶定制，這樣用戶只接受相關(guān)信息，而不必?fù)?dān)心可導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的意外關(guān)機(jī)。Microchip的電量計(jì)產(chǎn)品具備增強(qiáng)功能，使得電量計(jì)量更加可靠。

系統(tǒng)意外關(guān)機(jī)是使用便攜設(shè)備時(shí)最令人不快的事情之一，大多數(shù)人應(yīng)有同感。它輕則會(huì)降低客戶滿意度，重則會(huì)引起重要數(shù)據(jù)丟失和時(shí)間及金錢(qián)的重大損失。意外關(guān)機(jī)一般發(fā)生于電池電壓降到支持系統(tǒng)所需的水平以下時(shí)。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電池電壓會(huì)大幅度降低，尤其是放電行將結(jié)束時(shí)，這時(shí)放電曲線的斜率增加。為避免意外關(guān)機(jī)，Microchip使用了一種依據(jù)系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)能量需求信息的算法，如下圖所示。電量計(jì)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)機(jī)點(diǎn)，以保證有足夠的剩余能量向用戶發(fā)出警示和保存數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移，關(guān)機(jī)點(diǎn)也會(huì)變化。隨著電池老化，滿充容量下降，放電曲線的電壓也發(fā)生改變。老化算法可調(diào)整關(guān)機(jī)點(diǎn)以確保能量不會(huì)隨著電池老化而被浪費(fèi)。

4.安全

帶有可拆卸電池組的系統(tǒng)應(yīng)采用安全措施，防范系統(tǒng)在設(shè)計(jì)不合理的電池驅(qū)動(dòng)下工作。若系統(tǒng)采用非穩(wěn)態(tài)化學(xué)電池，過(guò)充或過(guò)放都可能造成不安全狀態(tài)。如果不依照制造商的要求而使用穩(wěn)態(tài)化學(xué)電池，可能導(dǎo)致其性能下降和壽命縮短。目前所使用的是簡(jiǎn)單的機(jī)械屏障，如采用獨(dú)特的外形規(guī)格或連接器，以及從電池讀取的標(biāo)志位。但可惜的是，這些安全措施很容易被攻破。用戶真正需要的是一種靈活的系統(tǒng)級(jí)解決方案，既可確保用戶安全、提高系統(tǒng)性能，又能提供長(zhǎng)期的可靠性。

Microchip為電池驗(yàn)證提供了一種很好的解決方案，即KEELOQ°加密算法，這種壓縮的64位編碼算法可為各種應(yīng)用提供經(jīng)業(yè)界證明的安全性，主機(jī)和外設(shè)都需要具備KEELOQ算法的硬件。今天，KEELOQ算法已被應(yīng)用于各種安全系統(tǒng)中，如無(wú)鑰門(mén)禁系統(tǒng)(主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè))。當(dāng)使用KEELOQ技術(shù)進(jìn)行電池驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)是主機(jī)，而電池是外設(shè)。系統(tǒng)存儲(chǔ)著制造商代碼和一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。當(dāng)電池制成時(shí)，生成一個(gè)唯一的序列號(hào)和密鑰并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，而且不會(huì)被改變。當(dāng)電池與系統(tǒng)相連時(shí)，系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求一個(gè)序列號(hào)并發(fā)送一個(gè)32位質(zhì)詢。電池會(huì)提供相應(yīng)的序列號(hào)，并給予一個(gè)32位的響應(yīng)。由于電池管理系統(tǒng)種類(lèi)繁多，Microchip在其電池管理產(chǎn)品和許多PIC單片機(jī)產(chǎn)品中都采用了KEELOQ技術(shù)。當(dāng)在電池組中使用Microchip電量計(jì)時(shí)，無(wú)需額外的硬件即可使系統(tǒng)具備安全功能。如果電池組中沒(méi)有電量計(jì)，可以使用PIC單片機(jī)作為KEELOQ外設(shè)硬件。支持KEELOQ技術(shù)的主機(jī)硬件包括處理器、電量計(jì)和充電器。

模塊圖如下：

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計(jì)劃與分區(qū)

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)采用二次電池作為電源的應(yīng)用時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行充電系統(tǒng)的計(jì)劃至關(guān)重要。這個(gè)問(wèn)題常常在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)后期才引起重視，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能低下，因?yàn)榇藭r(shí)必須要做出很多妥協(xié)。分區(qū)很重要，因?yàn)槊總€(gè)模塊在充電系統(tǒng)中的位置往往會(huì)影響IC和電路的選擇，還會(huì)影響這些模塊如何互動(dòng)。初期計(jì)劃的內(nèi)容包括列明電池電源的系統(tǒng)需求。在選擇電池化學(xué)類(lèi)型時(shí)，實(shí)際尺寸、重量要求、運(yùn)行時(shí)間和存儲(chǔ)溫度范圍等指標(biāo)都很重要，表2將最常見(jiàn)的化學(xué)電池作了小結(jié)。

決定電池組配置的因素有：最小/最大和標(biāo)稱(chēng)電壓值、充電電流、放電電流以及滿足運(yùn)行時(shí)要求的充電容量。絕大多數(shù)系統(tǒng)都需要充電，但是也有少數(shù)特殊系統(tǒng)例外。充電器是置于系統(tǒng)中、電池組中還是系統(tǒng)外也是一項(xiàng)重要的考慮事項(xiàng)。嵌入式電池可以將充電器置于系統(tǒng)中，但對(duì)于可拆卸電池組來(lái)說(shuō)就不方便了，尤其是當(dāng)用戶擁有多個(gè)電池組時(shí)。有些設(shè)備會(huì)同時(shí)具備系統(tǒng)內(nèi)置充電器和一個(gè)可選用的外置充電器。將充電器內(nèi)置于電池組中可以使電池組在系統(tǒng)內(nèi)外都可以充電。電池和系統(tǒng)的要求決定了充電器的拓?fù)洹１?所示為兩種常用充電器在幾個(gè)重要方面的比較。

下面討論是否需要電量計(jì)量。為了延長(zhǎng)電池組壽命，電量計(jì)量可為系統(tǒng)提供任何工作條件下的精確電池信息。它能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理，是性能優(yōu)良的電池管理系統(tǒng)的核心。這其中的一個(gè)重要因素是電量計(jì)和系統(tǒng)之間采用什么樣的通信接口來(lái)交換信息?？梢允褂秒p線接口和單線接口。當(dāng)然，如果系統(tǒng)的其他部分已經(jīng)采用了某種通信協(xié)議，建議采用相同的協(xié)議與電量計(jì)進(jìn)行通訊。如果電池組是可拆卸的，電量計(jì)是置于系統(tǒng)內(nèi)還是電池組內(nèi)則成為一個(gè)重要因素。如果需要保存保修所需的歷史資料和使用信息，將電量計(jì)置于電池組內(nèi)是最佳選擇。對(duì)于有多個(gè)可拆卸電池組的系統(tǒng)，電量計(jì)內(nèi)置于系統(tǒng)中無(wú)法記錄上述信息。另一個(gè)重要的考慮因素是電池信息是包含在系統(tǒng)顯示內(nèi)容中還是會(huì)單獨(dú)顯示，或者兩者都有。有些可拆卸電池組包含一個(gè)小型充電狀態(tài)顯示器，從而不必將電池插入系統(tǒng)來(lái)查看剩余電量。最后，如果電池組有保護(hù)電路，那么可以用單獨(dú)的安全I(xiàn)C、電量計(jì)，或者兩者共同負(fù)責(zé)電池的二次保護(hù)。

按照電池供應(yīng)商的建議進(jìn)行安全操作是非常重要的。如果電池具備驗(yàn)證功能，系統(tǒng)對(duì)無(wú)法識(shí)別的電池會(huì)做出反應(yīng)。系統(tǒng)的某些部分，如充電部分，可以被關(guān)閉，也可使整個(gè)系統(tǒng)斷電。電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有多種選擇，應(yīng)認(rèn)真考慮實(shí)現(xiàn)哪些電池管理模塊，以及每個(gè)模塊的功能在系統(tǒng)中如何劃分。早做計(jì)劃將有助于為系統(tǒng)打下一個(gè)好的電源基礎(chǔ)。

優(yōu)化

為達(dá)到最佳系統(tǒng)性能，應(yīng)在優(yōu)化充電操作上花些心思。對(duì)于發(fā)現(xiàn)并糾正可能降低系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)的缺陷，進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)試是很重要的。系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)試包括：確保系統(tǒng)在預(yù)期的溫度和放電速率下達(dá)到性能要求;確定哪些是用戶需要的信息，并以一種全面而易于理解的方式顯示出來(lái)。

總結(jié)

電池提供的電源為系統(tǒng)帶來(lái)活力。好的電池管理對(duì)用戶來(lái)說(shuō)應(yīng)該是“無(wú)縫”的，而且它是愉悅的產(chǎn)品使用體驗(yàn)的基礎(chǔ)。電池管理不佳將使產(chǎn)品成功成為泡影。作為系統(tǒng)如此重要的一個(gè)組成部分，電池管理應(yīng)該被充分了解，并提前計(jì)劃和進(jìn)行優(yōu)化。采用Microchip的電池管理器件和算法，所有電池管理功能都可在不同的拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)。線性和開(kāi)關(guān)充電器可以用于在電池組外部充電。線性充電器僅支持鋰電池，而開(kāi)關(guān)模式充電控制器含有為鋰離子、鎳電池和鉛酸電池充電的算法。使用電量計(jì)IC可實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)置充電控制。Microchip的電量計(jì)IC包括多種算法，可精確進(jìn)行鎳電池或鋰電池的電量計(jì)量、充電控制和冗余保護(hù)。憑借完善的計(jì)劃、良好的設(shè)計(jì)，加上Microchip的電池管理專(zhuān)門(mén)技術(shù)，理想的電池管理系統(tǒng)將為產(chǎn)品的成功奠定基礎(chǔ)。