（云南昆明 650223）
论文摘要：随着电子信息技术的高速发展，其载体移动便携式电子数码产品已经成为人们工作与生活的重要组成部分，锂离子电池组作为便携式电子产品的重要部件。其锂离子电池组的安全性越来越被人们重视，电池管理作为锂离子电池组的重要组成部分，电池组串联电压不平衡问题大大限制了其广泛应用，本文介绍的智能锂离子电池组以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效地对锂离子电池组内各单节锂电池的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供了通信接口。极大的提高了锂离子电池组的安全性。
论文关键词：锂离子电池组；平衡电路；便携
前言
本文介绍的智能锂离子电池组管理模块安装在锂离子电池组内部，是以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效地对锂离子电池组内各单节锂电池的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供通信接口。方案设计的锂离子电池组既可以作为移动电池使用，又可以作为车载设备随车使用，还能很好满足特殊行业便携设备的供电管理需求，具有较强的适应性和应用前景。
1、技术内容
智能锂离子电池组能够实时监测电池组内部单电池电压、电池温度、电池的剩余容量，使人们在用电池供电时，不至于在正常的工作中突然掉电而影响工作或造成数据的丢失；可以合理或者更科学地使用电池，不会使电池过放电和过充电，有效地延长电池的使用寿命以及必要的保护和报警功能。本智能锂离子电池组主要由“管理功能”、“保护功能”和“通信功能”组成。
便携式智能锂离子电池组最大的特点：体积小，枪击不起火、不爆炸，可在低温-40℃下工作且容量达80%以上，400次循环寿命容量达70%以上，支持快速充电和快递放电功能。在研制开发中充分考虑到部分便携设备没有预留充电接口，而需要取出电池独立完成充电，为了解决这一类问题，我们单独设计了电池座充安装器，电池取出后安装于电池座充安装器上即可快速充电。
2、技术实施方案
2.1系统的组成
项目的原理设计模块分为控制模块、充电模块、放电模块、显示模块、按键模块和采集模块，以实现电池的充电保护、放电保护、过热保护、短路保护、过流保护和显示功能。系统模块设计组成框图如图1所示:
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图1：系统模块组成框图
2.1.1控制模块
控制模块的作用是通过微处理器管理芯片对充电模块、放电模块、采集模块和显示模块进行控制调度以实现整体硬件的各项功能；通过对电池组内部单只电池的电压采集和电池组电压采集，来判断电池的过充、过放，通过对电流的采集来判断电池的过流保护和短路保护情况，当电池组输出端短路时，电流急速增大，管理芯片通过控制MOS管立即关断与电池组的连接，实现过流保护和短路保护功能。管理芯片通过对按键的检测，在待机和放电的过程中，可按下按键通过led显示来查看电池组容量，在充电过程中，led实时显示充电状态及电池组容量状态。
2.1.2充电模块
充电模块的作用是将外部输入转换来实现对电池的充电，通过对充电电流采集、温度采集和电池组内部单电池的电压采集。实现对电池的充电功能、充电保护功能和过热保护功能，并通过调整接入充电芯片的充电电流来实现对电池的快速充电功能。
2.1.3放电模块
充电模块的作用是利用外部负载实现对电池的放电，通过对放电电流采集、温度采集和电池组内部单电池的电压采集。实现对电池的放电功能、放电保护功能和过热保护功能，并通过调整接入充电芯片的充电电流来实现对电池的快速放电功能。
2.1.4显示模块
显示模块的作用是通过LED状态指示灯对电池的充电状态和电池容量状态进行指示。
2.1.5采集模块
采集模块的作用是通过采样电路对电池组内部单节电池电压、串联电池组电压、电池温度和充/放电电流进行采集，将采集的数据上传给控制模块进行相应的判断和处理。
2.2系统原理框图
锂离子电池组主要由电池电芯、电池管理电路和电池壳体组成。电芯采用低温18650锂电池（3.6V，2200mAh）2并4串的方式，组成14.4V/4400mAh锂电池组，电池管理电路对电池组进行保护和监测。
锂离子电池组电路由电池组、电池管理单元、检测单元、电压均衡单元、保护单元、指示单元、通信单元等组成，系统原理框图如图2所示：
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图2：系统原理框图
2.3系统设计
2.3.1硬件设计
系统在结构设计上主要由五孔直列插座、薄膜面板、保护板、上盖、下盖、卡座、盒体、18650锂离子电池等组成。
锂离子电池组外壳采用模具注塑成形，采用聚碳酸酯和铝型材材料，壳体重量轻，绝缘性好，安全性较好。结构设计上依据技术要求，外形方正，采用圆滑过渡，无凸出尖角部件，利于装于设备内部。
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图3：外形结构图
2.3.2软件设计
系统在软件开发上主要由电池管理芯片BQ40Z50-R1为电池管理电路的主控芯片、充/放电电流检测系统、电池快速充电系统、LED驱动系统、按键检测系统、电池温度检测系统、电池充电检测组成。
软件开发开发工具为Battery Management Studio专用集成开发环境，可通过SMBus读取电池的充放电电压、电流和电池容量等信息。软件可对寄存器和数据内存的完全访问，其中包括支持实时查、绘制和记录轻松连接以发送命令、控制低级通信和I/O，以及自动和指导支持配置、校准、执行学习周期以及生成有用的文件以将器件投入生产。其软件开发界面如图4所示。
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图4：软件开发界面
3、实现功能
我们参考了目前市面上的锂离子电池组，多数锂离子电池组都不能在低温下进行工作，没有电源极性保护，内部电芯出现问题没法更换，并且电池组功能都从硬件上固化，无法进行配置更改，在参数设置上需要硬件电路等一系列问题，因此我们在进行方案设计时，考虑了这些因素。考虑到设备完整性和某些特殊情况下的使用，我们将锂离子电池组、电池管理模块、壳体组成，在壳体与电路板之间采用螺丝连接，电池组与电路板采用插件连接，当电池出现故障时，可快速拆卸检修并更换相应的部件，便于安装和使用。
在充电过程中，管理电路根据不同的电池电压计算出相应的最大充电电流，如果超过允许的最大充电电流则切断充电回路，等待预设的时间过后重新接通充电回路，继续监测充电电流。在放电过程中，如果放电电流大于预设值，则切断放电回路，等待预设的时间过后重新接通放电回路，继续监测放电电流。如果电池电压低于预设值，同样切断放电回路，等待接入充电器进行充电之后重新接通放电回路，继续监测放电电流。
电池管理电路可以通过SMBus接口对外提供电池的电压、充放电电流，电池容量等信息。通过LED指示灯显示电池工作状态以及分5档显示锂离子电池组容量。管理电路对电池的温度进行实时监控，如果电池温度高于或低于预设值，则切断充电/放电回路，等待电池温度正常后重新接通，以保证电池使用过程中的安全性。图5为锂离子电池组管理芯片功能图。
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图5：管理芯片功能图
4、创新性分析
锂离子电池组作为辅助设备可随车安装使用，满足车载便携设备电池的要求。具有数据联网功能，可以与数据终端联网，便携设备电池的充电状态以及电池的性能检测数据可以记录存档，为便携设备的完善升级提供数据支持。锂离子电池组能经受住高温、低温、跌落、枪击等恶劣环境，能为特种便携设备在野外或恶劣环境下作业时供电提供支持。一个便携式锂离子电池组可以满足多种便携式设备的需求。
5、设计总结
本技术方案是属于行业类应用技术的集成创新项目，系统整体结构具有通用性、灵活性，技术成果能实现产品在市场上进行销售。本技术方案采用了嵌入式设计思路，接口设计采用了统型结构，一个锂离子电池组可以适用于多种设备使用，锂离子电池组内各单节锂电池的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护，并提供通信接口，设备具有通用、统型的功能。
技术方案的实施对节约资源具有一定的促进作用，锂离子电池组不仅实现了快速充电和标准充电模式，而且能在低温-40℃下工作且容量达70%以上，还具有电芯可更换，电池组性能状态可通过电脑进行读取，可以预先知道电池的使用情况，提前更换电池，保证用电设备的正常运行，从而提高了设备的可靠性和保障性。
论文作者:刘宇翔,陈权,杨玉婷,杨红飞,李皓瑜
论文发表刊物:《科技研究》2019年2期
论文发表时间:2019/5/13
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