便携设备的电池管理解决方案
(华强电子世界网讯) 本文介绍了一种构成Smart Battery的基于X3100芯片的多串锂电池管理系统。着重阐述了该系统的硬件实现和软件设计。本系统完成对各种参数的测量、管理和自动保护，完成几十种命令参数的计算，并通过SMBus总线同HOST等交换。实际使用证明本系统结构简单，功能完善、可靠，运行稳定，可用于笔记本电脑、电动自行车及其他便携仪器的智能电池模块中。
关键词： Smart Battery；X3100；电量平衡
电池管理的重要性已经不言而喻。越来越多的产品正向便携的方向发展，使用户获得空前的独立。几十年前，无绳电话最先为我们提供了在家中漫步的自由。而现在，便携式可充电产品使我们在周游世界的同时，还能与家人保持联系。越来越多的产品使用充电电池，而随着产品体积的缩小，这些产品的复杂程度也在不断提高。充电电池本身也在发生变化。电池制造商努力推出适应快速变化的市场的新产品。电池电压在增加，外形规格在改变，能量密度也在节节攀升。消费者对电池的了解也不断深入，他们需要产品具有更大的灵活性、更长的运行时间、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年来一直致力于借助PIC(单片机简化系统设计。目前，Microchip正将这方面的技术应用到电池管理产品线上，以简化并更好地管理充电系统。
方法
首先，我们将一个典型的电池管理系统划分为四个模块,如图1所示，并在下面一一探讨。
从图1可以看出，电池管理子系统之间的信息交换可提高预见性和安全性，提供自适应电源管理（更长运行时间），并优化充电过程以恢复运行。
充电
基于二次电池的电池组不同于一次电池组，二次电池组在使用后需要充电，而不是像一次电池那样会被丢弃。充电电路的种类和充电算法多种多样，它们针对特定化学类型的电池，在其独特的系统环境中为其适当地充电。充电器的位置也应适当选择。充电器是否是独立单元：是座充还是通过转换器的直充？充电器是集成在系统内还是在电池组内？其他重要的考虑因素包括充电时间、温度范围和噪声要求。Microchip提供多种充电管理产品。公司提供用于单节或双节锂离子/聚合物电池组的线性充电器。线性充电器的输出噪声低，对那些收发语音和数据的系统显得非常重要。充电器产品的部件编号如表1所示。
---对需要高效率低功耗的设计，PS200开关模式充电控制器最高开关频率可达1MHz。它包含为锂电池、镍电池和铅酸电池充电的算法。由于开关充电器的设计比较复杂，因此Microchip公司提供了软件工具以指导设计人员进行IC的配置和电路图的生成。对提供充电器产品的标准行业来说，另外一个解决方案是使用带充电控制器的电量计IC。这可以利用PS501及一个由通用输入/输出信号控制的脉冲充电电路来实现。这种拓扑提供了一个非常紧凑而成本效益又高的解决方案。然而系统的充电部分是隔开的，Microchip拥有所需的算法来优化充电，包括最大限度地提高充电能力、缩短充电时间，并使顾客达到最佳的满意度。
保护
当使用锂离子/聚合物电池时，必须提供保护功能，因为过充或过热可引起火灾或爆炸。铅酸电池或镍电池无需保护，但也常常为其提供保护电路以防止电池损坏或退化。主保护电路的形式为专用电路，用以检测是否发生了不安全状况，并在检测到不安全状况时关闭电池组以避免损坏。二次保护电路防止电池在不安全状况下继续充电和/或放电。万一主保护电路发生故障，可复位的二次电路即可提供后备保护。用户还可另行增加保护级别，如化学熔丝，当其他级别的保护失效时，其可永久关闭电池组。专用安全IC通常用于主保护电路。对于二次保护和稳定保护电路，电池管理IC是理想的选择，这是由于它们不额外增加解决方案的成本。例如，用PS501电量计可监控各节电池的电压、电池组电压、电流和温度。通用输入/输出（GPIO）引脚具备强大的配置功能，可设置和复位任何可能的电量计条件。这种灵活性使电量计可监控非常复杂的安全要求。
电量计量
电量计量不单是对流入流出电池组的电流进行监控。精确的电量计量需要一个系统方法，综合考虑典型的使用方式、环境和客户期望。理想状况下，电池管理IC可向用户提供无缝、无忧的操作，同时向系统提供所需信息，以便其做出智能化选择从而提高系统性能。智能化电量计量算法可以延长系统运行时间和电池寿命，并通过精确检测满充和满放点来提供额外的安全。它们还可探测和避免电池失衡和过热等状况。这些算法可根据系统状况来调整，并可以减缓电池的老化。它们运用可配置的电池模型来确保正确计算自放电和充电所造成的损耗。这些算法可由客户定制，这样用户只接受相关信息，而不必担心和烦恼会发生可导致数据丢失的意外关机。Microchip的电量计产品具备增强功能，使得电量计量更加可靠。
系统意外关机是使用便携设备时最令人不快的事情之一，大多数用户应有同感。它轻则是件讨厌之事，重则会引起重要数据丢失和时间及金钱的重大损失。意外关机一般发生于电池电压降到支持系统所需的水平以下。当负载增加时，电池电压会大幅度降低，尤其是放电行将结束时，这时放电曲线的斜率增加。为避免意外关机，Microchip使用了一种依据系统关机时能量需求信息的算法，如图2所示。电量计自动选择适当的关机点，以保证有足够的剩余能量向用户发出警示和保存数据。随着时间的推移，关机点也会变化。随着电池老化，满充容量下降，电池放电的电压曲线也发生改变。老化算法可调整关机点以确保能量不会随着电池老化而被浪费。
安全
带有可拆卸电池组的系统应采用安全措施，防范系统在设计不合理的电池驱动下工作。若系统采用非稳态化学电池，过充或过放都可能造成不安全状态。如果不依照制造商的要求而使用稳态化学电池，可能导致其性能下降和寿命缩短。目前所使用的是简单的机械屏障，如采用独特的外形规格或连接器，以及从电池读取标志位。但可惜的是，这些安全措施很容易被攻破。我们真正需要的是一种灵活的系统级解决方案，既可确保用户安全、提高系统性能，又能提供长期的可靠性。
Microchip为电池验证提供了一种很好的解决方案，即KEELOQ加密算法。这种压缩的64位编码算法可为各种应用提供经业界证明的安全性。主机和外设都需要具备KEELOQ算法的硬件。今天，KEELOQ算法已被应用于各种安全系统中，如无钥门禁系统（主要应用于汽车行业）。当使用KEELOQ技术进行电池验证时，系统是主机，而电池是外设。系统存储着制造商代码和一个随机数发生器。当电池制成时，生成一个唯一的序列号和密钥并存储在内存中，而且不会被改变。当电池与系统相连时，系统会请求一个序列号并发送一个32位质询。电池会提供相应的序列号，并给予一个32位的响应。由于电池管理系统种类繁多，Microchip在其电池管理产品和许多PIC单片机产品中都采用了KEELOQ技术。当在电池组中使用Microchip电量计时，无需额外的硬件即可使系统具备安全功能。如果电池组中没有电量计，可以使用PIC单片机作为KEELOQ外设硬件。支持KEELOQ技术的主机硬件包括处理器、电量计和充电器。
计划与分区
当设计一个采用二次电池作为电源的应用时，在产品设计阶段就进行充电系统的计划至关重要。这个问题常常在系统开发后期才引起重视，从而导致系统性能低下，因为此时必须要做出很多妥协。分区很重要，因为每个模块在充电系统中的位置往往会影响IC和电路的选择，还会影响这些模块如何互动。初期计划的内容包括列明电池电源的系统需求。在选择电池化学类型时，实际尺寸、重量要求、运行时间和存储温度范围等指标都很重要。表2将最常见的化学电池作了小结。
决定电池组配置的因素有：最小／最大和标称电压值、充电电流、放电电流以及满足运行时要求的充电容量。绝大多数系统都需要充电，但是也有少数特殊系统例外。充电器是置于系统中、电池组中还是系统外也是一项重要的考虑事项。嵌入式电池可以将充电器置于系统中，但对于可拆卸电池组来说就不方便了，尤其是当用户拥有多个电池组时。有些设备会同时具备系统内置充电器和一个可选用的外置充电器。将充电器内置于电池组中可以使电池组在系统内外都可以充电。电池和系统的要求决定了充电器的拓扑。表3所示为两种常用充电器在几个重要方面的比较。
接下来，讨论是否需要电量计量。为了延长电池组寿命，电量计量可为系统提供精确的电池信息和总体工作情况。它能实现动态电源管理，应成为一个好的电池管理系统的核心。这其中的一个重要因素是电量计和系统之间采用什么样的通讯接口来交换信息。如果系统的其他部分已经采用了某种通讯协议，建议采用相同的协议与电量计进行通讯。如果电池组是可拆卸的，电量计是置于系统内还是电池组内则成为一个重要决择。如果需要保存保修所需的历史资料和使用信息，将电量计置于电池组内是最佳选择。对于有多个可拆卸电池组的系统，电量计内置于系统中无法记录上述信息。另一个重要的考虑因素是电池信息是包含在系统显示内容中还是会单独显示，或者两者都有。有些可拆卸电池组包含一个小型充电状态显示器，因此不必将电池插入系统来查看剩余电量。最后，如果电池组有保护电路，那么是单独的安全IC、电量计抑或两者共同负责电池的二次保护？
按照电池供应商的建议进行安全操作是非常重要的。如果电池具备验证功能，系统对无法识别的电池会做何反应？它可以将系统的某些部分（如充电部分）关闭，也可将整个系统断电。电池管理系统的设计有多种选择。应认真考虑实现哪些电池管理模块，以及每个模块的功能在系统中如何划分。提早制定计划将有助于为系统打下良好的电源基础。
优化
为达到最佳系统性能，应在优化充电操作上花些心思。进行系统内部测试对于发现并纠正可能降低系统性能和用户体验的缺陷，是很重要的。系统内部测试包括：
关键词： Smart Battery；X3100；电量平衡
电池管理的重要性已经不言而喻。越来越多的产品正向便携的方向发展，使用户获得空前的独立。几十年前，无绳电话最先为我们提供了在家中漫步的自由。而现在，便携式可充电产品使我们在周游世界的同时，还能与家人保持联系。越来越多的产品使用充电电池，而随着产品体积的缩小，这些产品的复杂程度也在不断提高。充电电池本身也在发生变化。电池制造商努力推出适应快速变化的市场的新产品。电池电压在增加，外形规格在改变，能量密度也在节节攀升。消费者对电池的了解也不断深入，他们需要产品具有更大的灵活性、更长的运行时间、更低的成本和更高的安全性。Microchip多年来一直致力于借助PIC(单片机简化系统设计。目前，Microchip正将这方面的技术应用到电池管理产品线上，以简化并更好地管理充电系统。
方法
首先，我们将一个典型的电池管理系统划分为四个模块,如图1所示，并在下面一一探讨。
从图1可以看出，电池管理子系统之间的信息交换可提高预见性和安全性，提供自适应电源管理（更长运行时间），并优化充电过程以恢复运行。
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充电
基于二次电池的电池组不同于一次电池组，二次电池组在使用后需要充电，而不是像一次电池那样会被丢弃。充电电路的种类和充电算法多种多样，它们针对特定化学类型的电池，在其独特的系统环境中为其适当地充电。充电器的位置也应适当选择。充电器是否是独立单元：是座充还是通过转换器的直充？充电器是集成在系统内还是在电池组内？其他重要的考虑因素包括充电时间、温度范围和噪声要求。Microchip提供多种充电管理产品。公司提供用于单节或双节锂离子/聚合物电池组的线性充电器。线性充电器的输出噪声低，对那些收发语音和数据的系统显得非常重要。充电器产品的部件编号如表1所示。
---对需要高效率低功耗的设计，PS200开关模式充电控制器最高开关频率可达1MHz。它包含为锂电池、镍电池和铅酸电池充电的算法。由于开关充电器的设计比较复杂，因此Microchip公司提供了软件工具以指导设计人员进行IC的配置和电路图的生成。对提供充电器产品的标准行业来说，另外一个解决方案是使用带充电控制器的电量计IC。这可以利用PS501及一个由通用输入/输出信号控制的脉冲充电电路来实现。这种拓扑提供了一个非常紧凑而成本效益又高的解决方案。然而系统的充电部分是隔开的，Microchip拥有所需的算法来优化充电，包括最大限度地提高充电能力、缩短充电时间，并使顾客达到最佳的满意度。
保护
当使用锂离子/聚合物电池时，必须提供保护功能，因为过充或过热可引起火灾或爆炸。铅酸电池或镍电池无需保护，但也常常为其提供保护电路以防止电池损坏或退化。主保护电路的形式为专用电路，用以检测是否发生了不安全状况，并在检测到不安全状况时关闭电池组以避免损坏。二次保护电路防止电池在不安全状况下继续充电和/或放电。万一主保护电路发生故障，可复位的二次电路即可提供后备保护。用户还可另行增加保护级别，如化学熔丝，当其他级别的保护失效时，其可永久关闭电池组。专用安全IC通常用于主保护电路。对于二次保护和稳定保护电路，电池管理IC是理想的选择，这是由于它们不额外增加解决方案的成本。例如，用PS501电量计可监控各节电池的电压、电池组电压、电流和温度。通用输入/输出（GPIO）引脚具备强大的配置功能，可设置和复位任何可能的电量计条件。这种灵活性使电量计可监控非常复杂的安全要求。
电量计量
电量计量不单是对流入流出电池组的电流进行监控。精确的电量计量需要一个系统方法，综合考虑典型的使用方式、环境和客户期望。理想状况下，电池管理IC可向用户提供无缝、无忧的操作，同时向系统提供所需信息，以便其做出智能化选择从而提高系统性能。智能化电量计量算法可以延长系统运行时间和电池寿命，并通过精确检测满充和满放点来提供额外的安全。它们还可探测和避免电池失衡和过热等状况。这些算法可根据系统状况来调整，并可以减缓电池的老化。它们运用可配置的电池模型来确保正确计算自放电和充电所造成的损耗。这些算法可由客户定制，这样用户只接受相关信息，而不必担心和烦恼会发生可导致数据丢失的意外关机。Microchip的电量计产品具备增强功能，使得电量计量更加可靠。
系统意外关机是使用便携设备时最令人不快的事情之一，大多数用户应有同感。它轻则是件讨厌之事，重则会引起重要数据丢失和时间及金钱的重大损失。意外关机一般发生于电池电压降到支持系统所需的水平以下。当负载增加时，电池电压会大幅度降低，尤其是放电行将结束时，这时放电曲线的斜率增加。为避免意外关机，Microchip使用了一种依据系统关机时能量需求信息的算法，如图2所示。电量计自动选择适当的关机点，以保证有足够的剩余能量向用户发出警示和保存数据。随着时间的推移，关机点也会变化。随着电池老化，满充容量下降，电池放电的电压曲线也发生改变。老化算法可调整关机点以确保能量不会随着电池老化而被浪费。
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安全
带有可拆卸电池组的系统应采用安全措施，防范系统在设计不合理的电池驱动下工作。若系统采用非稳态化学电池，过充或过放都可能造成不安全状态。如果不依照制造商的要求而使用稳态化学电池，可能导致其性能下降和寿命缩短。目前所使用的是简单的机械屏障，如采用独特的外形规格或连接器，以及从电池读取标志位。但可惜的是，这些安全措施很容易被攻破。我们真正需要的是一种灵活的系统级解决方案，既可确保用户安全、提高系统性能，又能提供长期的可靠性。
Microchip为电池验证提供了一种很好的解决方案，即KEELOQ加密算法。这种压缩的64位编码算法可为各种应用提供经业界证明的安全性。主机和外设都需要具备KEELOQ算法的硬件。今天，KEELOQ算法已被应用于各种安全系统中，如无钥门禁系统（主要应用于汽车行业）。当使用KEELOQ技术进行电池验证时，系统是主机，而电池是外设。系统存储着制造商代码和一个随机数发生器。当电池制成时，生成一个唯一的序列号和密钥并存储在内存中，而且不会被改变。当电池与系统相连时，系统会请求一个序列号并发送一个32位质询。电池会提供相应的序列号，并给予一个32位的响应。由于电池管理系统种类繁多，Microchip在其电池管理产品和许多PIC单片机产品中都采用了KEELOQ技术。当在电池组中使用Microchip电量计时，无需额外的硬件即可使系统具备安全功能。如果电池组中没有电量计，可以使用PIC单片机作为KEELOQ外设硬件。支持KEELOQ技术的主机硬件包括处理器、电量计和充电器。
计划与分区
当设计一个采用二次电池作为电源的应用时，在产品设计阶段就进行充电系统的计划至关重要。这个问题常常在系统开发后期才引起重视，从而导致系统性能低下，因为此时必须要做出很多妥协。分区很重要，因为每个模块在充电系统中的位置往往会影响IC和电路的选择，还会影响这些模块如何互动。初期计划的内容包括列明电池电源的系统需求。在选择电池化学类型时，实际尺寸、重量要求、运行时间和存储温度范围等指标都很重要。表2将最常见的化学电池作了小结。
决定电池组配置的因素有：最小／最大和标称电压值、充电电流、放电电流以及满足运行时要求的充电容量。绝大多数系统都需要充电，但是也有少数特殊系统例外。充电器是置于系统中、电池组中还是系统外也是一项重要的考虑事项。嵌入式电池可以将充电器置于系统中，但对于可拆卸电池组来说就不方便了，尤其是当用户拥有多个电池组时。有些设备会同时具备系统内置充电器和一个可选用的外置充电器。将充电器内置于电池组中可以使电池组在系统内外都可以充电。电池和系统的要求决定了充电器的拓扑。表3所示为两种常用充电器在几个重要方面的比较。
接下来，讨论是否需要电量计量。为了延长电池组寿命，电量计量可为系统提供精确的电池信息和总体工作情况。它能实现动态电源管理，应成为一个好的电池管理系统的核心。这其中的一个重要因素是电量计和系统之间采用什么样的通讯接口来交换信息。如果系统的其他部分已经采用了某种通讯协议，建议采用相同的协议与电量计进行通讯。如果电池组是可拆卸的，电量计是置于系统内还是电池组内则成为一个重要决择。如果需要保存保修所需的历史资料和使用信息，将电量计置于电池组内是最佳选择。对于有多个可拆卸电池组的系统，电量计内置于系统中无法记录上述信息。另一个重要的考虑因素是电池信息是包含在系统显示内容中还是会单独显示，或者两者都有。有些可拆卸电池组包含一个小型充电状态显示器，因此不必将电池插入系统来查看剩余电量。最后，如果电池组有保护电路，那么是单独的安全IC、电量计抑或两者共同负责电池的二次保护？
按照电池供应商的建议进行安全操作是非常重要的。如果电池具备验证功能，系统对无法识别的电池会做何反应？它可以将系统的某些部分（如充电部分）关闭，也可将整个系统断电。电池管理系统的设计有多种选择。应认真考虑实现哪些电池管理模块，以及每个模块的功能在系统中如何划分。提早制定计划将有助于为系统打下良好的电源基础。
优化
为达到最佳系统性能，应在优化充电操作上花些心思。进行系统内部测试对于发现并纠正可能降低系统性能和用户体验的缺陷，是很重要的。系统内部测试包括：