符合SMBus2.0协议单节智能锂电池系统的设计

Intel和Duracell公司于1995年提出了笔记本智能电池的概念--Smart Battery，即把锂电池和管理控制系统结合在一起，本身具有测量、计算、保护、通信等功能[1]。目前已经发展成为行业标准，其定义了智能电池数据规范协议SBData1.1、系统管理总线协议SMBus2.0(与I2C总线兼容)及相关的数据精度标准。此标准目前在笔记本智能电池系统中得到广泛的遵守和应用，而在面向其他应用时，可以做出相应的取舍和改进[2]。

　　由于锂电池具有电压高、能量密度高、无"记忆效应"、放电曲线平缓等优点，很多便携式产品采用单节锂电池进行供电。然而锂电池也是比较娇贵的产品，过冲、过放电、短路等都会对使用寿命产生影响甚至发生爆炸危害到人身安全。而且目前很多便携式产品在电池电量没有完全用完时就不允许继续工作，降低了电池使用效率和产品的使用时间。因此，对单节锂电池进行相关的处理措施是非常必要的。

　　1 智能电池系统规范概述

　　电池的智能化是最近才发展起来的，智能电池的实现方法多种多样，但只有一种系统能够提供包括电池、充电器和其他元件在内的完整方案，即基于系统管理总线(SMBus)的标准智能电池系统(SBS)。系统主要由四个模块组成：充电、安全保护、测量和计算通信。这种结构以Intel和其他公司开发的双线总线为中心，数据协议SBData规范使其电源管理系统所用的电池数据保持一致性，如固定值、测量值、计算值和预测值以及充电和报警信息。这些数据用在主系统和智能电池系统之间互相传递。

　　数据协议规范定义的34个数值代表了操作条件、计算而得的预测和SBS特性。在功能上具有：测量(电压、温度、电流和平均电流)；容量信息(容量值包括相对充电状态、绝对充电状态、剩余容量和完全充电容量)；剩余时间(耗尽时间、平均耗尽时间、平均充满时间、充放电定值、定值充满时间、定值耗尽时间和定值OK)；报警与广播(剩余容量报警、剩余时间报警、充电电流和充电电压)；模式、状态和错误(电池模式、容量模式、充电器模式、最大错误、电池状态和制造商访问)；电池身份识别(周期计数、设计容量、设计电压、规范信息、制造日期、编号、制造商名称、器件名称、器件化学以及制造商数据)[2]功能。

　　由于标准是一些便携式电脑制造商推出的，主要针对笔记本电脑等耗电偏大、采用多电芯(电池)供电的系统。但在单电池供电的系统中，由于成本及资源问题限制了电池系统的操作，使智能电池系统的发展复杂化。因此这里将智能电池系统规范引入到单节锂电池中，需要在软、硬件方面做出合适的修改。

　　2 系统的硬件组成

　　单节智能锂电池系统采用Maxim公司的充电管理芯片MAX1555实现充电管理功能；理光的R5421构成单节锂电池保护电路，防止电池过冲、过放电、过流及短路；利用Maxim的DS2438完成电池的各种状态的检测及电池的标识，具有SMBus(与I2C兼容)接口的单片机C8051F305完成了充电状态的测量控制、电池状态的读取和运算、存储及通信等功能。此外还有为主系统供电的电源处理芯片以及具有二次保护功能的电源开关TPS2013。这些都可以根据实际需求做出取舍。整体由单片机构成嵌入式系统，利用C8051F305标准的SMBus2.0接口与被供电系统进行通信，完成相关信息的读取和命令发送等功能。系统框图如图1所示。

2.1 充电管理

　　锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)，充满电时的终止充电电压根据阳极材料的不同分为4.1V和4.2V。锂离子电池的终止放电电压为2.5V～2.75V(电池厂给出的工作电压范围或给出的终止放电电压，各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放，电池电压超过4.1V或4.2V时称为过充，锂电池不适合作大电流放电，同时锂电池的充放电对环境温度都有一定的要求。以上任何一项超过指标都会对电池产生不良的影响。其充电管理电路如图2所示。

本系统采用充电管理芯片MAX1555，它可以通过USB和AC适配器电源为单节锂离子电池充电，可以接受最高7V的输入电压。通过优化充电速率，当达到MAX1555温度限制时，充电器并不关断，而是逐渐降低充电电流使其可以在电池状况和输入电压处于最糟糕的情况下不受散热问题的制约[3]。

　　系统采用线性充电方式，当电池电压低于3V时，器件进入充电电流为40mA的预充电模式，直至电压高于3V进入恒流模式。如果连接的是USB口但无直流电源时，充电电流被设定为100mA(最大值)；如果是DC电源充电，充电电流被自动设定为280mA(典型值)。当电池电压超过4V时，芯片以固定4.20V+/-0.04V左右的恒定电压给电池充电(恒压模式)，如果充电电流小于50mA，则芯片停止充电，结束一个充电周期，通过状态引脚CHG的高电平传输到单片机中。

　　采用MAX1555芯片成本低、外围电路简单、体积小、发热量低、充电策略可靠。当采用交流适配器充电时，500mAh的锂电池只需两个小时即能冲满，完全能够满足充电器设计的要求。