基于可编程逻辑的便携式设备多节锂电池管理

便携式设备的便携性是与电池的发展息息相关的，从最初的铅酸电池、镍镉（Ni-Cd）电池发展到镍氢（Ni-H）、锂离子（Li-ion）电池一直到最近的锂聚合物（Li-polymer）电池，能量密度逐步提高，移动性能越来越强，电池的缺点也不断被克服。本文就将介绍一个便携式锂聚合物电池的管理系统设计。

系统整体结构

本设计的应用实体是一个工业上使用的便携式设备，采用Altera的FPGA和其上的NIOS II嵌入式处理器，并使用USB接口与电脑相连接，面向的是大数据量应用。这个设备需要30V直流电压，所以计划使用4个1000mAh锂聚合物电池串联的电池组；另外，出于防水防尘的考虑，对外只使用一个方形的USB接口（USB B Type Socket），这个USB口同时兼具数据传输和充电的功能。

整体结构如图1所示。控制核心包括FPGA及其所连的接口、显示电路，需要3.3V的低电压，由高效率的DC/DC芯片从4芯锂电池组直接降压得到。这个电压很重要，所以需要保持稳定且连续，除非电池组低电量或者过流保护，否则此电压一直供给。



图1 系统整体结构框图

执行机构需要30V直流电压，电流大约80mA左右，使用一个升压DC/DC电路，这个电路由控制核心操纵，平时是不工作的，只在需要动作之前开启。

充电使用外部20V电源，通过USB接口连接。使用这种电源的考虑是为了进行1C或0.5C大电流高速充电。由于与普通USB共用一个端口，为了避免接入普通USB时进入充电程序，需要一个电压判断电路进行判断。

由于合乎需要的芯片解决方案市场上很难寻觅，决定使用FPGA的剩余逻辑资源来实现充电器的控制功能，添加少量的模拟电路来辅助。这就要求对控制电路的供电不能中断，电池组必须一直在线，并且电池负极需要一直与GND连接。

电池电路

1 电压采样

最重要的部分就是电压采样电路的设计，要求精度高并且受温度影响小。这个设计难点在于电池电压对于GND而言是浮动的。很多方案采取了差分运放转换到对地电压然后输入专用ADC进行AD变换的方案。但这个方案由于引入了差分运放，产生了许多问题。首先，电压比较高，运放很难找；其次，运放的电源与输入电压使用同一个电源，这样一来就要求运放需要轨到轨输入的功能；再次，可能还需要一个负电源，使用DC/DC又引入了噪声；另外，运放及使用匹配的电阻使得精度降低。



图2 RC充电电路

为了尽量简化电路，这里构造了积分型的ADC，将FPGA定时的高精度转化为电压测量的高精度。

这是一个简单的RC充电电路（见图2）。其工作流程是：J1先闭合，释放C1上的电荷；然后J1打开，由R1对C1进行充电；电压比较器U1将C1上的电压与参考电压V2比较，当C1电压超过V2时输出高电平。统计从J1打开到U1输出高电平之间的时间，便可以确定V1的电压大小。可以直观地看出，V1越高，这段时间越短。

实际的电路如图3所示，注意这幅图只画出了第一个电池的测量电路。其中，R1与C1便是积分使用的电阻与电容，Q1是常用的P-MOSFET，这里用来实现J1给电容放电的功能，U5同时实现电压基准与电压比较器双重功能。X1是放电控制，来自FPGA，X2是开关量输出，去往FPGA。电压比较器选用的是美信公司的MAX921。



图3 实际取样电路图

这个电路在静态时仅仅消耗MAX921的4μA电流和C1、Q1、Q2的漏电流，基本可以忽略不计，非常省电。

这个电路另外一个特色是省掉了经常使用的光电耦合器，而使用电容C2代替。静态时，C2两端达到电压平衡，不消耗电能，此时，X2电压为0。U5输出高电平时，因为C2两端电压不能瞬变，故X2电压被提升。D1与D2两个肖特基二极管是起限幅作用的。仔细调整C2与R4的值就能够顺利地传递开关量信息。

2 平衡充电

平衡充电是所有锂电池组所需要的充电方式，但是很多小功率的应用中实际是没有平衡充电的，如大多数的笔记本电脑电池组，这样做实际上对电池寿命的影响是相当大的。

现有的均衡技术主要分为电池间能量传递均衡和外部能量输入均衡。电池间能量均衡就是把高电量电池的能量给低电量电池充电。这种方法最大的问题就是控制起来很复杂。

现在很多专用芯片或者单片机解决方案使用的是外部均衡的方式，这种方式是通过可控制的耗能来实现的。这种方式中一般都是使用一个耗能元件来消耗能量，从而等待其他电池单元充满或者降低某些单元的电压。这种方案的缺陷在于稳压二极管上的耗能太大，造成的发热量是不能忍受的。



图4 实际充电方式图
实际使用的充电方式如图4所示，当然，这只是一个示意图，不包括电流检测电路（输入到变压器之间）和电压检测电路（变压器次级绕组）。其中，开关阵列是用功率MOSFET实现。

这种做法，管子都工作在开关状态，耗能很少，另外电池没有串联二极管，可以获得最大输出。不足之处还是电路比较复杂，由于要匹配每个电池的电压，所以要求输入充电电路是隔离的。这里采用T1变压器作为隔离，因为开关频率可以做得很高，T1变压器的体积很小。

整个充电电路工作在开关状态，不再添加任何的控制模块，由FPGA直接控制场效应管，电流检测和电压检测电路的输出也转化为开关量直接传给FPGA。

充电分为四个步骤：

a) 检测是否有电池单体低于2.5V，如有，使用5%的占空比对低于2.5V的电池轮流充电，使其升压到2.5V；

b) 打开J1和J8，对整体进行大电流充电，同时测量电池单体的电压，如果有电池单体达到4.2V，进入下个步骤；

c) 逐渐降低占空比，使单体电池的最高电压维持在4.2V，直到占空比＜5%；

d) 对未到4.2V的电池进行轮流充电，当占空比均下降到5%时，充电结束。

这里需要说明的是，a)和d)步骤中轮流充电是通过开关矩阵实现的，并且轮流充电并不会延长充电时间，这是因为此时的占空比远远小于25%，可以在一个充电周期内分别给四个电池充电。