（测试计量技术及仪器专业论文）智能电池及其充放电管理系统.pdf

摘要 新闻采访的特点要求对电池的容量要有随时随地的保障，而且还能对其进行方便 的管理。由于目前三种化学特性的充电电池同时在用户中存在，锂离子电池和镍铬、 镍氢电池的充电制式不同，它们之间的充电器互相不能进行充电，否则将造成电池不 能满充，甚至电池被损坏或发生危险。因此，解决充电器和电池的兼容性问题是一个 重要的课题。新闻单位对电池的充电管理和利用是一件麻烦的事，利用计算机对电池 的充电进行集散式的管理，就能让他们从纷繁复杂的充电管理中解放出来。本文提出 并解决了如下问题： 精确指示电池剩余容量：无论电池正在充放电或者空载时，通过液晶屏都能精确 地指示电池剩余容量，克服了过去只能用指示灯分段显示容量百分比的弊端，根据用 电器件的不同，能够精确指示剩余运行时间，克服了普通电池在空载和有载情况下容 显的显著差异，更利于使用； 动态显示电池参数：在智能电池的l c d 屏上动态显示电池的剩余容量、电池温度、 充电电流、电压、化学特性、电池已经使用的循环次数等重要参数，更便于维护； 充电的兼容性：为了解决充电器和充电电池的兼容性，本文中研制了智能充电器， 它可以与不同通讯接口和不同化学特性的智能电池以相应的充电方式进行充电，并对 电池的充放电过程进行智能控制，它还可以通过串口和上位机进行通讯，方便了对电 池及其充电的管理。 我们为每一个智能电池设定一个属于自己的编号，那么我们就可以通过数据采集 站采集、存储智能电池的每一次的充放电信息。然后再在p c 机上对这些充放电信息 进行分析，作出每一个电池的充放电信息曲线图及容量衰减曲线图，从而得出智能电 池的使用状况。根据这些状况信息，我们就可以对电池的寿命作出判断，淘汰不满足 要求的电池，避免单纯使用循环次数来决定电池的寿命所造成的弊端。 关键词：智能电池、智能充电器、数据采集站、s m b u s 协议、h d q l 6 协议 a b s t r a c t t h et r a i to fn e w sa c c e s s i n gr e q u i r et h ec a p a c i t yo fb a t t e r yw h e r ea n dw h e n m u s tb ee n s u r e d ，a n di tc a nb em a n a g e m e n tc o n v e n i e n t l y b e c a u s et h r e ek i n d s o fc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c sr e f r e s ht h eb a t t e r yt oe x i s ti nt h ec u s t o m e r c u r r e n t l ya tt h es a m et i m e ，t h e1 i t h i u mi o nb a t t e r y ，n i c da n dn i m hb a t t e r i e s r e f r e s ht h em a k et y p ed i s s i m i l a r i t y ，t h ec h a r g e ro ft h e i ri t sc a n tc a r r yo n r e f r e s he a c ho t h e r ，o t h e r w i s ew i l lr e s u l ti nb a t t e r yc a n tb ef u l1 c h a r g e d e v e nb a t t e r yd r i v ed a m a g eo rt a k ep l a c et h ed a n g e r t h e r e f o r e ，t h ec o m p a t i b l e p r o b l e mo fc h a r g e ra n db a t t e r yi sa ni m p o r t a n tt o p i c t h en e w sd e p a r t m e n t s t ot h eb a t t e r yr e f r e s hm a n a g e m e n ta n du s e i n gi sab o t h e rm a t t e r ，m a k eu s eo f t h ec o m p u t e rt or e f r e s ht oc a r r yo nt h em a n a g e m e n tt h a tg a t h e r st h es p r e a d t y p et ot h eb a t t e r yt h a tc a nl e tt h e mf r o mn u m e r o u sa n dc o m p l i c a t e dr e f r e s h t om a n a g et h em e d i u m1 i b e r a t i o nt oc o m eo u tc o m p l i c a t e d l y t h i st e x tp u t s f o r w a r da n dr e s o l v e st h ef o l l o w sp r o b l e m p r e c i s i o nd i s p l a yr e m a i nc a p a c i t yo fb a t t e r y ：r e g a r d l e s sb a t t e r yj u s ta t r e f r e s ha n dd i s c h a r g eo rg e te m p t yt oc a r r y ，t h r o u g ht h el c ds c r e e n sa n dc a n i n d i c a t er e m a i nc a p a c i t yo fb a t t e r y ，o v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n gt h a ti n d i c a t e o n l yp e r c e n t a g eo fc a p a c i t yb yc e n to fr e g u l a r i t yi nt h ep a s s e d ，a c c o r d i n gt o d i s s i m i l a r i t yo ft h ee l e c t r i ca p p l l a n c e s ，i tc a na c c u r a t es h o wr e m a i nt i m e o fu s e i n g ，o v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n gt h a tc o m m o nb a t t e r ys h o wd i f f e r e n c e b e c a u s et h ec o n d i t i o no fg e t t i n ge m p t yt oc a r r yo rc a r r y ，m o r eb e n e f i ti n u s a g e ： p a r a m e t e ro fb a t t e r yd y n a m i cs h o w i n g ：s h o w i n gd y n a m i c l yt h er e m a i n c a p a c i t yo fb a t t e r y ，b a t t e r yt e m p e r a t u r e ，c h a r g i n gc u r r e n t ，c h a r g i n gv o l t a g e a n dt h ec h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c ，a c c u r a t ec i r c u l a t i o nn u m b e ro ft i m e st h a t b a t t e r yh a v eb e e nu s e da l r e a d y e t c 。，m o r ee a s yt om a i n t e n a n c e f o rs o l v i n gt h ec o m p a t i b l eo fb a t t e r yw i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n d c h a r g e r ，r e s e a r c h e dt om a n u f a c t u r et h ei n t e l l i g e n c ec h a r g e ri nt h i st e x t ，i t c a l lc o m m u n i c a t eb a t t e r yw it hd i f f e r e n ta c c e s sa n du s et h ec o r r e s p o n dw a yt o c h a r g ed i f f e r e n tc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i cb a t t e r y ，a n dc o n t r o li n t e l l i g e n c l l yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，i tc a na l s oc o m m u n i c a t et h r o u g has e r i a lt o c o m p u t e r ，c o n v e n i e n c et ot h em a n a g e m e n to fb a t t e r ya n di t c h a r g i n g ， w es e ta o w ns e r i a ln u m b e rf o re a c hi n t e l l i g e n c eb a t t e r y s ow ec a nc o l l e c t a n ds a v ee v e r yt i m ei n f o r m a t i o no fi n t e l l i g e n c eb a t t e r y c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt h r o u g hac o l l e c ts t a t i o n s ow em a k ec o m p u t e ra n a l y s i st h e s ei n f o r m a t i o n o fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，m a k i n ga nc u r v et h a t e a c hb a t t e r yc h a r g i n g c a p a c i t ya t t e n u a t e ，t h u sg e t t i n gt h eu s a g ec o n d i t i o no fs m a r t b a t t e r y a c c o r d i n gt ot h e s ec o n d i t i o n si n f o r m a t i o n ，w ec a nm a k eaj u d g m e n tt ot h el i f e o ft h eb a t t e r y ，e l i m i n a t i n gt h eb a t t e r yt h a tc a n t b er e q u e s t e d ，a v o i d i n gt h e s h o r t c o m i n gt h a tw eo n l yu s ec i r c u l a t i o nn u m b e ro ft i m e st od e c i d et h el i f e o ft h eb a t t e r y k e y w o r d ：s m a r tb a t t e r y ，s m a r tc h a r g e r ，g a t h e rs t a t i o no fd a t a ，s m b u s ，h d q l 6 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 聊i 每 i 山心 年r 月y 日 智能电池及其充放电管理系统第一章引言 第一章引言 1 。1研究智能电池、智能充电器及其网络化的意义 郑州万迪来公司长期从事新闻部门可充电电池的研发、生产、销售业务。通过调 研，决定对摄像机数字电池和智能充电器开展研发工作。 研制系列数字电池不但解决了电池的合理充放电，避免了对电池的过充和过放所 造成的对电池的损坏，提高了电池的使用效率和使用寿命。更为重要的是它能够满足 由于新闻采编的时效性、突发性、地点不确定性对电池电量实时掌握的要求，对新闻 采访提供有效的能量支持。它能够实时显示电池的结构参数和状态参数，并能够根据 用电器件功耗的不同，精确显示电池的剩余容量和剩余运行时间，避免了传统的用指 示灯只能分段显示显示电池容量百分比，不能精确了解电池容量和还能使用多久的弊 端，方便了新闻采访对电池的使用，保障了他们的用电可靠性。 目前市场上镍铬、镍氢及锂离子电池同时存在，而且任何一种也不可能取代其他 电池而独立存在，由于各种二次电池的化学成分，充放电机理不一样，所以对它 们的充放电要求也不样。虽然在快速充电方面，n i 删与n i c d 两种类型的电池均可 以数量等于或大于电池标称容量c ，以安时为单位进行充电。但n i c d 电池充电时， 当其被满充时端电压上升到最大值，然后开始下降，当端电压开始下降，即d v d t 变 为负值时，快充电模式应被中止，而对于n i m h 电池当其端电压达到最大值即d v d t = o 时其快充电就应该被终止，否则充电电流将把电池中的水电解成氢气和氧气，其后果 是导致电池内部压力温度上升、端电压下降。如果这时仍然快速充电将发生电池制造 商所告诫的情况：电池将发生爆炸或报废。最近几年电池技术的革新主要体现在锂电 池技术上，锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池( 如n i c dn i m i 电池) 的容量都大，同等质量的两种电池相比，锂电池容量将近是n i m t t 电池的两倍。当然 锂电池也有许多不足或局限，如对过充电和过放电十分敏感。为了最大限度的给电池 储能，必须将电池充电至其最大电压，但是过电压充电可能对锂电池造成永久性损坏， 同样也不能过电流充放电，同时亦有放电警告，重复放电到一个太低的电压可能降低 智能电池及其充放电管理系统第一章引言 锂电池的容量。因此由于充电电池和充电器的不兼容而引起的电池放错充电器的事情 经常发生，这种情况轻则造成电池的损坏，重则会引起电池的爆炸，而造成人身伤害。 特别是对于新闻单位来说，对于电池的充放电管理更是一件令他们头疼的事情。智能 电池充电器则有效地解决了电池和充电器的兼容问题，从而避免了因电池化学特性不 同而给电池充电造成的各种麻烦。另外，除了对电池电压检测外，为了更好的保护电 池不被损坏，充电时还对电池的温度及充电时间进行监测来作为辅助或后备保护方 案。 另外，智能充电器还能通过串口和计算机进行通信，这样一台计算机就能管理多 个充电器，而每个充电器又能管理多个电池，实现了对电池充电的集散管理，达到实 时监控多路电池充电状态的目的。这样对那些不但电池数量很大而且电池种类也多 的新闻单位来说，对电池管理起来就很方便，不但节省了很多的人力和物力，而且也 很高效。由于我们为每一个智能电池都设定有一个属于自己的编号，那么我们就可以 通过数据采集站采集、存储智能电池的每一次的充放电信息。然后再在p c 机上对这 些充放电信息进行分析，作出每一个电池的充放电信息曲线图及电池充电容量衰减曲 线图，从而得出智能电池的使用状况。根据这些状况信息，我们就可以对电池的寿命 作出判断，对不满足要求的电池进行淘汰。避免单纯使用循环次数来决定电池的寿命 所造成的弊端：有些电池由于使用环境恶劣而循环次数很少而电池的容量已降低很 多；有些电池的循环次数很多而充电容量仍然能够达到要求。这样既保证了新闻采编 对电池的容量要求，又提高了电池的使用寿命，节约了成本。数据采集站是连接数字 电池和计算机的桥梁，通过数据转换，对数字电泡入账、借出、归还、查询一目了然， 同时可将计算机的控制信息输入数字电池，分析判断电池的状态、性能变化、违章使 用、更新报废等各项情况。 1 2电池及其分类和工作原理 电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电 能。电浊即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极， 两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过 智能电池及其充放电管理系统第一章引言 转换其内部的化学能来提供电能“。 目前市场上存在的电池主要有：燃料电池、太阳能电池、化学电池其中化学电 池又分普通一次性电池和二次电池( 可充电电池) 而二次电池又由于它们的化学 特性的不同被分为：镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池和铅酸电池等对于不同化学 特性的电池，它们的充放电机理是不同的： 1 2 1 燃料电池 燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化 为电能的能量转化装置燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解 质构成燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载向阴极构成电回 路，产生电能而驱动负载工作燃料电池和常规电池不同在于它工作时需要连续不 断的向电池内输入燃料和氧化剂，通过电化学反应生成水，并释放出电能：只要保持 燃料供应，电池就会不断工作提供电能 1 2 2 太阳能电池 太阳能光电池简称为太阳能电池或太阳电池，又称为太阳能晶片，在物理学上 称为光伏打效应“太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，其 将高纯度的半导体材料加入一些不纯物质使其呈现不同的性质，如加入硼可形成p 型半导体；加入磷可形成n 型半导体。当p 、n 两型半导体相结合后，太阳光入射 时，就会产生电子和空穴，有电流通过时，则产生电力。由于单一太阳能电池所输 出的电力有限，为提高其发电量，将许多太阳能电池组串并联组合封装程序后，做 成模板，就成为太阳能电池模板。 1 2 3 普通化学电池嘲 干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极。在 石墨棒的周围由内向外依次是a ：二氧化锰粉末( 黑色) 一一用于吸收在正极上生 成的氢气( 以防止产生极化现象) ；b ：用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解 质的溶液。电极反应式为： 负极( 锌筒) ：z n - 2 e 。= z n ” 3 智能电池及其充放电管理系统 第一章引言 正极( 石墨) ：2 n h 4 + + 2 e 一= 2 n h 3 + h 2 h 2 + 2 m n 0 2 = m n 2 0 3 + h 2 0 总反应：z n + 2 n h 4 + + 2 m n 0 2 = z n 2 + + 2 n h 3 + m n 2 0 3 + h 2 0 普通干电池的电压不能充电再生。 1 2 4 二次电池( 可充电电池) 二次电池目前市场上主要有以下几种： a 镍镉电池6 1 7 1 镍镉电池采用n i ( o h ) 2 作为正极。c d o 作为负极。碱液( 主要为k o h ) 作为电 解液，镍镉电池充电时，电极反应式为： 正极：n i ( o h ) 2 一e + o h - 一n i o o h + h 2 0 负极：c d ( o h ) 2 十2 e c d + 2 0 h 一 总反应为：2 n i ( o h ) 2 + c d ( o h ) 2 2 n i o o h + c d + 2 h 2 0 放电时，反应逆向进行： n i o o h + h 2 0 + e n i ( o h ) 2 + o h c d + 2 0 h + 2 e c d ( o h ) 2 充电时，随着n i o o h 浓度的增大，n i ( o h ) 2 浓度的减小，正极的电势逐渐上升， 而随着c d 的增多，c d ( o h ) 2 的减小，负极的电 势逐渐降低，当电池充满电时，正极、负极电位均达到一个平衡值，两者电势 差即为电池之充电电压。 b 镍氢电池 8 9 3 镍氢电池采用与镍镉电池相同的n i 氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱 液( 主要为k o h ) 作为电解液，镍氢电池充电时，电极反应式为： 4 智能电池及其充放电管理系统第一章引言 正极：n i ( o h ) 2 一e + o h n i o o h + h 2 0 负极：m h n + n e m 十n 2 h 2 放电时，正极：n i o o h + h 2 0 + e n i ( 0 h ) 2 + 0 h 负极：m + n 2 h 2 一m h n + n e c 锂离子电池1 0 3 锂离子电池有别于一般的化学电源，其充放电工作过程是通过锂离子电池正 负极中的嵌入和脱嵌来实现的，当电池充电时，正极释放出锂离子于电解质中，这 个过程是脱嵌，负极从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入，当电池放电时发生 与上述相反的过程，这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌过程好像摇椅一样摇来 摇去，故有人称锂离子电池为”摇椅电池”。锂离子电池正极主要成分为l i c o o i ， 负极主要为c 。充电时，电极反应式为： 正极反应：l i c o o z + l i l = x c 0 0 2 + x l i 。+ x e 负极反应：c + x l i + + x e - c l i x 电池总反应：l i c o ( h + c + l i 卜= x c 0 0 2 + c l i x 放电时发生上述反应的逆反应。 d 铅酸电池 1 1 铅酸电池的电极反应式为： 正极：p b 0 2 + 3 r + i s 町+ 2 e _ p b s 0 4 十2 h 2 0 负极：p b + h s 0 4 1 每p b s o , + h + + 2 e 电池充电时正极由硫酸铅( p b s 吼) 转化成棕色二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极则由p b s 0 4 转变为灰色铅p b 。随充电过程进行，正极电位逐渐升高，负极电位降低。在充电 末期，会发生水的电解反应，正极开始产生氧气，负极则由于活性物质过量且加入 析氢电位高的金属( 如钙，镉) 而不会产生氢气。正极产生的氧气透过隔膜传递到 智能电池及其充放电管理系统 第一章引言 负极，与负极铅化合成氧化铅，氧化铅与硫酸化合生成水，即水可以循环利用， 因此在使用过程中不需加水维护，从而实现电池密封。密封铅蓄电池要求必须恒 压充电，就是为了保证充电末期仅有少量氧气产生，以便能及时传递到负极重新 化合，避免水的损失；相反，如果充电电压过高，会有大量氧气产生，因氧气来不 及化合使内压急剧增加，最后冲开安全阀释放出来，造成水的损失，严重影响电 池寿命。 电池放电时，正极由二氧化铅转变为硫酸铅，负极由海绵状铅变为硫酸铅。放 电过程中电池电压逐渐下降，硫酸浓度不断降低。在放电末期，由于正负极生成的 不良导电体硫酸铅逐渐积累使电极欧姆电阻迅速增大，同时硫酸浓度下降后氢离子 扩散缓慢，导致电池电压下降很快，此时应终止放电，否则出现过放电。电池过放 电的害处是部分硫酸铅再充电时不能正常转化和恢复，下次放电时电池容量降低。 多次过放电会造成电池容量迅速衰减，使用寿命显著缩短。 1 3 镍铬、镍氢及锂离子电池的充放电特性 1 3 1 镍镉电池的主要特性： 镍镉( n i c d ) 电池是最早应用的可充电电池，其能量密度和重量密度相对较低， 但是由于成本较低，目前仍在市场上占据一定的份额。电流、时间、温度和其它的因 素都可营响到镍镉电池的充电性质。增加充电电流和降低充电温度会导致充电电压升 高。充电时会产生热量，电沲温度升高。充电效率也会因为电流、时间和温度不同而 不同。如果充放电时温度很高，电池容量就会降低。当电池在高温下进行浮充时，这 种趋势更会加剧。n i c d 电池充电终止检测方式一般采用一v 检测、超时检测、电池温 度检测和电池温度上升率检测。快充方式下通常选用一v 检测与超时、温度检测相配 合的方式。由于n i c d 电池充电时，不完全放电会使隔阳极变为镉氢氧化物造成电池 端电压下降，因此n i c d 电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时， 就不能放出全部电量。比如，放出8 0 电量后再充足电，该电池只能放出8 0 的电量， 这就是所谓的记忆效应。由于n i c d 电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每 智能电池及其充放电管理系统第一章引言 节电池放电至1 v 以下( 镍铬电池的单节电池电压一般为1 2 v ) “。 镍镉电池的循环寿命的特性随电池的充放电条件、温度和其他使用条件的不同 而不同。在i e c 指定的测试条件下，电池可进行5 0 0 次充放电循环。实际的循环寿命会 随着不同的充电模式而不同，比如说快速充电，并且会根据由电池提供动力的设备实 际使用情况不同而不同 n i c d 电池充电时，当其被满充时，端电压上升到最大值然后开始下降。当端电 压开始下降即d v ，d t 变为负值时，快充电模式应被中止，否则充电电流将把电池中的 水电解成氢气和氧气，其后果是导致电池内部压力温度上升，端电压下降。如果仍然 快速充电将发生电池制造商所告诫的情况一电池将发生爆炸或报废。 1 3 2 镍氢电池的主要特性： 镍氢( n i 删) 电池和镍铬( n i c d ) 电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电。 两者的差别主要在快速充电的终止检测方法上，以防止电池过充电“。充电器对电 池进行恒流充电，同时要检测电池的电压和其它参数。对于n i m h 电池当其端电压达 到最大值，口p d v d t = 0 时，其快充电就应该被终止。为避免损坏电池，电池温度过低 时不能开始快速充电，电池温度t 。i 。低于t 06 c 时，应转入涓流充电方式。而电池温度 一旦达到规定数值后，必须立即停止充电。重复在高温或低温下充电，会使电池性能 恶化。同时也应避免将电池过充电。 1 3 3 锂离子电池的主要电特性： 锂离子电池对过充电和过放电十分敏感，为了最大限度减少锂电池易受到过充 电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通 常不超过1 c ，最低放电电压为2 7 3 0 v ( 单节锂离子电池的电压一般为3 7 v 左右) ， 如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1 c 电流充 电至4 1 v 时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小，当电池充足电后，进 入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充 7 智能电池及其充放电管理系统 第一章引言 电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态1 4 3 。 电池储能必须将电池充电至其最大电压，但是过电压充电可能对锂电池造成永久 性损坏，同样也不能过电流充放电。同时亦有放电警告，重复放电到一个太低的电压 可能降低锂电池的容量。充电电压不要超过指定的充电电压考虑到充电过程中环 境温度，给锂离子电池充电的电源电压的波动，和电压控制的精度，充电时最大充电 电压应应限制在电池的额定电压内。 锂离子电池充电温度范围为0 度到4 5 度，不要在高温下充电，否则会使电池过 充。锂离子电池放电电流应为1 o c 或更小。在脉冲放电情况下，其平均电流应为1 o c 或更小。 不同化性特性电池的充电方式及充电终止条件如下表： 电池化学特性充电方式 充电终止条件 镍氢电池 v a t = o 、温度超过设定阈值、充电电流小于设定 恒流充电 值、充电时间大于设定最大值、电池出现故障 镍铬电池v t ( 0 、温度超过设定阈值、充电电流小于设 恒流充电 定值、充电时间大于设定最大值、电池出现故障 锂离子电池先恒流充电 温度超过设定闽值、充电电流小于设定值、充电时 然后恒压充电间大于设定最大值、电池出现故障 1 4 智能电池的发展及现状 1 4 1 国外智能电池状况 智能电池首先由国外开始研制，1 9 9 4 年成立了“智能电池实现者论坛”网站， 会员都是国际有名的芯片制造商及电池制造商，他们提出了整套智能电池系统，该系 统硬件包括：系统主机、智能电池( 可以是1 只，也可以是若干只) 、智能充电控制器、 ac dc 变换器及传输数据的总线网络。软件包括传输数据的通信协议、数据处理 平台和嵌入式操作系统以及相应的程序“3 。根据收集的资料得知，国外智能电池仍 然是以芯片形式推向市场的。如美国美信公司推出的智能电池控制芯片m a x l 7 8 0 与 智能屯池及其充放电管理系统 第一章引言 s m b u s 充电控制芯片m a x l 6 6 7 就可以构成一个智能电池系统。m a x l 7 8 0 是一块先进的 智能电池控制包芯片，可编程序控制，内部1 5 k r o m 、0 5 k r 瑚，1 4 4 个字节数据存储 器，3 5 m h z 的振荡工作频率，电压4 2 8 v ，有过充电与放电保护。m a x l 6 6 7 是一块 智能充电控制芯片，有二线制数据通信接口( s m b u s ) ，5 b i t 的充电电流控制，l l b i t 的充电电压控制，最大电流1 a 。只要把控制芯片与相应的电池有效地结台在一起即 可完成智能电池的功能。t i 公司的m s p 4 3 0 是s m b u s 通信控制接i = 1 ，提供电源和总线 接口，与智能电池模块p s i o o z 2 0 0 控制器及电池构成智能电池系统。还有较典型的 b q 2 0 9 2 芯片构成智能电池，用4 只l e d 来指示充电、放电、最大容量、最小容量。有 二线的s m b u s 通信接口；提供精确镉镍、镍氢和锂离子电池反复充电的数据；支持以 上电池的数据通信控制；对电流和温度有测量补偿；可编程自放电和充电补偿。国外 还有更多的公司和企业参与智能电池的相关器件开发和研制。总而言之，国外提供的 器件或者电池包，完成智能电池的功效还要做一些相应的后期开发和设计工作。国际 上一些生产摄像机电池知名厂商( 如s o n y 、i d x 等) ，其功能也不具备智能功能，但 它们具有和摄像机通信的功能，只有摄像机和电池进行了通信联络，电池才能向摄像 机供电。只有美国的a n t o n b a u e r 公司生产的数字电池具备上述部分功能。 1 4 2 国内智能电池的状况 中国的电池行业中，产量大、产值小、出口多、而刨汇少。主要问题是产品结构 不合理，中低档电池多，高档电池少，一次性电池多，蓄电池少。重点放在了无汞碱 锰电池、氢镍动力蓄电池、锂离子蓄电池、全密封免维护铅酸蓄电池、车用动力蓄电 池、燃料电池、太阳电池的开发和生产上。目前关于中国有关企事业单位对智能电池 的开发情况未见报道，如果有研制单位，其状态处于保密阶段，并没有智能电池问世。 目前国产摄像机电池也仅是作为供电电源，部分结构参数虽然可以从标签上获知，然 而对于其他一些结构参数和实时参数却无法获知，仅可以通过l e d 指示灯分段显示电 池容量的百分比。 智能电池及其充放电管理系统 第一章引言 1 5 主要研究内容 对于新闻单位来说，由于新闻采编的时效性、突发性及地点随机性等不确定状况， 要求他们要对电池的容量状态要有详细的了解，以利于新闻采访的随时、随地进行， 而不会因为电池电量的问题造成新闻采访的中断，甚至造成工作的无法完成。因此本 论文的主要工作是： 设计智能电池( 数字电池) ，它不但能够显示电池的固有的稳定的信息：电池的 化学特性( 镍铬、镍氢、锂离子) 、额定放电电压、额定放电电流、电池额定容量、 标准运行时间、电池的生产日期等，而且还能够实时显示电池的状态信息：电池电压、 电池电流、剩余容量、剩余运行时间、电池温度、电池循环次数等。另外，它还具有 对电池的过充、过放进行保护的功能。 设计能和不同化学特性的电池兼容的充电器，通过和智能电浊通讯，判断电池的 化学特性，然后用相应的充电方式对电池进行充电，这样不仅方便了管理，还节约了 资源充电器还能与p c 机通讯，实现对电池充电的集散管理。 设计数据采集站，通过数据采集站采集、存储智能电池的每一次的充放电信息， 然后再在p c 机上对这些充放电信息进行分析，作出每一个电池的充放电信息曲线图， 从而得出智能电池的使用状况。根据这些状况信息，我们就可以对电池的寿命作出判 断，对不满足要求的电池进行淘汰。 1 0 智能电池及其充放电管理系统第二章智能电池的设计 第二章智能电池的设计 普通的电池仅仅作为供电电源使用，它们没有其它功能。智能电池则由可充电电 池组( 电芯) 及外围充放电管理电路、保护电路、l c d 显示屏等组成，采用微处理器 控制，它不仅可以提供电源，而且还可以实时监控和显示电池的结构参数一一电池的 化学特性( 镍铬、镍氢、锂离子) 、额定放电电压、额定放电电流、电池额定容量、 标准运行时间、电池的生产日期等及电池的实时参数电池电压、电池电流、剩余 容量、剩余运行时间、电池温度、电池循环次数等。这样就能满足一些特殊行业，特 别是新闻单位用于新闻采编时，能够对电池的状态及电池电量实时监控，更利于使用 和管理。 2 1 智能电池的组成分析 智能电池主要由电芯( 可充电电池) 、电池管理电路、电池信息显示控制电路及 l c d 液晶屏组成( 如图2 1 示) 。 智能电池的对外接口有两部分构成：电源接口和通讯接口。电源接口就是可充电 电池的正负极，它在充电时与充电器连接，作为充电电流的输入通道，作为电源向负 载供电时，它是电源的正负极。通讯接口是智能电池对外读写电池信息的通道，在充 电时，充电器通过通讯接口用s m b u s 协议或h d q l 6 协议e 1 6 与智能电池通讯，获取电 池的各种信息，对电池的充放电进行相应的智能化管理；在和摄像机等负载连接时， 1 1 智能电池及其充放电管理系统 第二章智能电池的设计 通讯接口与摄像机进行通讯，以便于摄像机的正常工作，因为摄像机必须首先和电池 能够通讯联系，电池才能对其进行供电。 智能电池的自身显示功能是有内部的显示控制电路来完成的，显示控制电路首先 和电池管理电路用s m b u s 协议或h d q l 6 协议进行通讯，采集电池的各种信息( 结构参 数和状态参数) ，然后把采集到的这些通过i 0 口输出，在液晶屏上分屏显示，分屏 显示的控制功能通过显示控制电路的按键控制。 2 2 智能电池的电池管理电路设计 2 2 1 管理电路芯片的选择 在智能电池中对可充电电池( 电芯) 的管理是至关重要的，因此必须选用合理的 芯片来对电芯进行管理。普通的常用单片机芯片可以完成对电芯的管理，但它需要设 计复杂的外围电路，这不仅给智能电池的结构设计带来不便，而且更重要的是它增加 了智能电池自身的功耗，减少了智能电池的使用效率。 b q 2 0 6 0 智能集成芯片是一款专用电池管理芯片，它能够用来对n i c d 、n i m h 、 l i i o n 及l e a d _ a c i d 电池的充电提供精确的算法。支持s m s 智能电池数据通信协议 规范v 1 1 支持带p e c 校验的双总线s m b u s v l 1 规范或单总线h d q l 6 协议规范的接口。 它具有一个模数转换器，能够为电池的电压、电流、温度测量提供一个1 5 位的数据。 b q 2 0 6 0 支持智能电池数据( s m d a t a ) 命令和充电控制功能，它使用双总线协议 的系统管理总线( s m b a s ) 进行数据通信或使用单总线基准( h d q l 6 ) 协议进行通信。 有效的数据包括电池剩余容量，电池温度，电池电压，及剩余运行时间预报等。b q 2 0 6 0 提供l e d 的驱动和从满到空过程中用一个按纽输入来确定是否显示电池的剩余容量， 它的显示方式是利用4 或5 个l e d 来分4 或5 段来表示容量的大小，每次增加或减少 满容量的2 5 或2 0 。 b q 2 0 6 0 使用一个外部的e e p r o m ，该e e p r o m 存储b q 2 0 6 0 的配置信息，例如电池 的化学特性( 镍铬电池，镍氢电池，锂电池，铅酸电池) ，电池的自放电速率，电 池补偿要素等级，计量标准，电池设计电压和设计容量。以使用时或空闲时的时间， 智能电池及其充放电管理系统第二章智能电池的设计 速率，温度为基础，b q 2 0 6 0 依靠存储在e e p r o m 的可编程放电速率和其他补偿要素来 精确校准电池剩余容量。因此在电池从满充到放电完毕的循环过程中，b q 2 0 6 0 能自 动校准和计算电池的容量1 ”。r e g 输出控制一个连接在电池组外部的j f e t ，为b q 2 0 6 0 的输入电池电压进行校正。 b q 2 0 6 0 的管脚图如图2 2 所示： 图2 2 ；b q 2 0 6 0 管脚图 各个管脚属性和功能描述如下： h d q l 6 串口通信线i o ( 开漏准双向口) e s c l 串口存储器时钟线( 在b q 2 0 6 0 和外部e e p r o m 之间进行数据传送时输出时钟信 号) e s d a 串口存储器数据地址线( 准双向口用来从b q 2 0 6 0 芯片到外e e p r o m 或从 e e p r o m 至4 b q 2 0 6 0 芯片传送数据及传送数据地址从b q 2 0 6 0 芯片到外部e e p r o m ) r b i 寄存器备份输入线( 在低电压工作期间，输入一个备份电压给b q 2 0 6 0 寄存器。 寄存器输入接受存储容量和电压输入) r e g 标准输出口线( 输出口控制一个n 沟道场效应管对b q 2 0 6 0 输入的电池电压进行 v c c 校正) v o u t电压输出口线( 输出电压为外部的e e p r o m ) v c c 电源 v s s地 篇鲨砉百是于重蚕瑟鬻li溢吾ill警ll嚣翘甜始巧n孙砼引馏博仃侣惜 ，2 3 4 5 8 7 8 g 住竹” 嚣臀嚣谗嚣曾甚 智能电池及其充放电管理系统 第二章智能电池的设计 d i s p 显示控制输入线( 输入信号控$ ! j l e d 驱动l e d l 一l e d 5 ) l e d l 一l e d 5 l e d 显示输出线( 输出口可以控制外部的l e d ) d f c 放电场效应管控制输出线( 输出口控制在锂电池保护电路中的放电场效应 管) c f c 充电场效应管控制输出线( 输出口控制在锂电池保护电路中的充电场效应 管) c v o n 单电压分配控制输出线( 输出口在单电池电压测量期间，控制连接在外部的 场效应管来对外部的电池电压进行分配) t h o n 热敏电阻偏异量控制输出线( 输出口在温度测量期间，控制连接在外部热敏 电阻上的场效应管) t s 热敏电阻电压输入( 输入口在热敏电阻测量温度时，输入温度和电压的比例 关系) s r c 电流电感输入线( 输入口测量电池的实时电流) s r l s r 2电感阻值输入线( 输入口在测量电池充放电电流时，输入电感阻值的变 化比例关系) v c e l l l 单电池电压输入线( 输入口测量电池组中的单电池电压) s m b d s m b u s 协议数据线( 开漏准双向口用来传送数据从b q 2 0 6 0 芯片到外部器件 或从外部器件至o b q 2 0 6 0 芯片及传送数据地址从b q 2 0 6 0 芯片到外部器件) s m b c s m b u s 协议时钟线( 开漏准双向口b q 2 0 6 0 和外部器件进行数据传输时，产 生时钟信号) 2 2 2 管理电路的组成原理 b q 2 0 6 0 依靠检测输入电流的量来计算电池的容量及判断电池是否有电池存在。 除了探测电池的充放电，b q 2 0 6 0 还能测量电池的电压、电流、温度、估算电池的自 放电，及监测电池的低电压值。b q 2 0 6 0 靠连接在电池的负极和电池包的负极之间的 一个敏感电阻的电压来判断电池的充放电活动。当v s r = v s r 2 一v s r l 的值为正时，此时 电池是在充电：而当v s r = v s r 2 一v s r l 的值为负时，此时电池是在放电。依靠这个电压 1 4 智能电i 也及其充放电管理系统 第二章智能电池的设计 及因当时环境和工作情况所决定的度量算法来确定有效的电池充电量。 图2 3 是基于b q 2 0 6 0 的电池管理电路的应用。该电路由l e d 显示，电压和温度 测量网络，e e p r o m ，串口及敏感电阻组成。l e d 分段按比例显示电池的容量，外部 e e p r o m 中除了存储电池的基本配置信息和测量基准参考值外，b q 2 0 6 0 还通过e s c l 和e s d a 通讯总线以寄存器的方式实时自动存储电池的各种状态信息。为了b q 2 0 6 0 的工作，外部e e p r o m 必须被初始化。 2 2 3 电池信息的采集 图2 3 ；管理电路原理图 p 眦瞄 8 m b c s u b 口 h 口口 b q 2 0 6 0 使用全微分，进行动态平衡的电压到频率( v f c ) 的转换来检测充放电， 智能电池及其充放电管理系统第二章智能电池的设计 并且用模数转换( a d c ) 值进行电压，电流及温度的测量并用电流的积分值求电池的 充电容量。依靠b q 2 0 6 0 的工作模式，每2 2 5 秒进行一次电压，电流及温度的测量。 最大时间发生在用于补偿e d v ，m w h 模式和最大允许放电速率时。 电