如何實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程電池監(jiān)控系統(tǒng)

在能量收集應(yīng)用中，當(dāng)來(lái)自環(huán)境源的能量減少到低于有用水平時(shí)，備用電池在維持功率輸出方面起著關(guān)鍵作用。為了保持電池性能和安全性，這些應(yīng)用需要能夠?qū)㈦姵貭顟B(tài)和故障狀態(tài)傳達(dá)給中央服務(wù)器和操作員。特別是，電池組的安全操作需要仔細(xì)監(jiān)控以檢測(cè)可能導(dǎo)致電池故障的電池缺陷，短路和劣化。例如，與鋰離子電池組相關(guān)的安全問(wèn)題正在推動(dòng)對(duì)連續(xù)電池監(jiān)測(cè)和故障的快速通信的需求以及能夠在嚴(yán)重故障發(fā)生之前進(jìn)行干預(yù)的人類操作員的潛在問(wèn)題。

設(shè)計(jì)人員可以利用IC制造商提供的可用設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程電池監(jiān)控功能，包括ADI公司，Atmel公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，Silicon Labs公司和德州儀器公司。

遠(yuǎn)程電池監(jiān)控子系統(tǒng)將基于MCU的電池監(jiān)控和無(wú)線通信功能與低功耗RF收發(fā)器或具有集成無(wú)線功能的MCU相結(jié)合，將電池狀態(tài)傳輸?shù)街醒朐O(shè)施（圖1）。

圖1：遠(yuǎn)程電池監(jiān)控解決方案依靠帶集成ADC的MCU來(lái)測(cè)量電池電壓并通信電池使用成對(duì)的RF收發(fā)器（A）或集成無(wú)線功能（B）的狀態(tài)。對(duì)于要求更高的應(yīng)用，專用電池管理IC提供額外的細(xì)節(jié)和保護(hù)（德州儀器提供）。

在許多應(yīng)用中，帶有集成ADC的低功耗MCU可以提供所需的單元監(jiān)控級(jí)別，測(cè)量單元電壓并執(zhí)行軟件程序來(lái)識(shí)別故障。德州儀器（TI）MSP430F2012和MSP430F2013 16位MCU將低功耗運(yùn)行與集成ADC，模擬比較器，存儲(chǔ)器和串行接口相結(jié)合。工程師可以選擇采用MSP430F2012的10位ADC，或采用MSP430F2013的16位sigma-delta ADC，以滿足需要更高分辨率測(cè)量的應(yīng)用。

與TI的CC2500 2.4 GHz收發(fā)器或CC2520 ZigBee收發(fā)器配合使用，TI等集成MCU可提供完整的遠(yuǎn)程電池監(jiān)控解決方案。另外，設(shè)計(jì)人員可以選擇Silicon Labs SI1031 MCU等MCU，它集成了高速8051內(nèi)核，12位ADC，存儲(chǔ)器，多個(gè)數(shù)字外設(shè)和ISM頻段收發(fā)器。 Silicon Labs SI1021還提供集成的LCD控制器，以支持本地顯示功能。

專為電池管理而設(shè)計(jì)，Atmel ATMEGA32HVB將公司的AVR 8位MCU與12位ADC，18位庫(kù)侖逆流ADC和存儲(chǔ)器相結(jié)合，可監(jiān)控多達(dá)4個(gè)鋰離子電池，電流，大電流和短路故障（圖2）。 Atmel設(shè)計(jì)了ATMEGA32HVB，以便在引腳短路，充電器連接不良，軟件錯(cuò)誤或由電池組或VCC短路引起的電源斷電時(shí)為電池提供安全保護(hù)。該器件還提供外部保護(hù)輸入，允許工程師使用外部組件實(shí)現(xiàn)專門的電池保護(hù)功能。

圖2：Atmel ATMEGA32HVB MCU將8位MCU內(nèi)核與專用片上電路相結(jié)合，可監(jiān)控多達(dá)4個(gè)鋰離子電池（Atmel提供）。

在運(yùn)行中，ATMEGA32HVB上運(yùn)行的軟件可以使用兩個(gè)外部熱敏電阻輸入通道監(jiān)控單個(gè)電池電壓，以及片上溫度和外部溫度。庫(kù)侖計(jì)數(shù)器累積充電和放電電流，以13位分辨率報(bào)告高分辨率或瞬時(shí)電流測(cè)量的累積電流。

對(duì)于具有大型電池組或需要更深電池保護(hù)的應(yīng)用的系統(tǒng)，工程師可以利用各種電池管理IC來(lái)監(jiān)控電池組的關(guān)鍵性能參數(shù)，并在出現(xiàn)故障時(shí)向MCU提供信號(hào)。先進(jìn)的電池管理IC，如ADI公司的AD8280，凌力爾特公司的LTC680x，Maxim Integrated MAX1492x和德州儀器公司的BQ76PL536，旨在監(jiān)控通常用于能量存儲(chǔ)和電源備份的能量收集應(yīng)用的大型電池組。此類器件通常集成了高分辨率ADC，精密電壓基準(zhǔn)，高壓輸入多路復(fù)用器和用于與主機(jī)MCU通信的串行接口。

ADI公司的AD8280支持多達(dá)六個(gè)鋰離子電池，并提供獨(dú)特的自測(cè)功能，專為高可靠性應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在自測(cè)模式下，AD8280產(chǎn)生內(nèi)部故障條件，并將結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，如果自檢失敗則發(fā)出警報(bào)。

凌力爾特公司的器件LTC680x系列可同時(shí)監(jiān)控多達(dá)12個(gè)鋰離子電池。雖然LTC6801和LTC6802器件專為鋰離子電池監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，但LTC6803支持鋰離子電池，超級(jí)電容器和多化學(xué)電池監(jiān)測(cè)，而LTC6804則支持鋰離子和鎳氫電池監(jiān)測(cè)。

Maxim Integrated的MAX1492x系列通過(guò)MAX14920支持多達(dá)12個(gè)鋰離子電池，MAX14921支持多達(dá)16個(gè)電池。德州儀器（TI）BQ76PL536 IC最多支持六個(gè)鋰離子電池。

此類中的所有設(shè)備都提供以菊花鏈方式連接多個(gè)設(shè)備以監(jiān)控大量單元的功能。工程師可以垂直堆疊德州儀器BQ76PL536，以監(jiān)控多達(dá)192個(gè)鋰離子電池，而無(wú)需IC之間的隔離元件。與許多此類器件一樣，BQ76PL536提供高速串行外設(shè)接口（SPI）總線，可與MCU（如TI MSP430F5529低功耗16位MCU）進(jìn)行通信。

Daisy鏈接監(jiān)控大型鋰離子電池堆，BQ76PL536集成了電壓轉(zhuǎn)換和精密ADC，可準(zhǔn)確，快速地測(cè)量電池電壓。在直接從主機(jī)MCU或通過(guò)菊花鏈接收CONV轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)，器件通過(guò)其集成的14位高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換周期。該器件通過(guò)前端多路復(fù)用器為ADC供電，該多路復(fù)用器具有九個(gè)輸入，用于六個(gè)單元，兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)通用模擬輸入。

BQ76PL536中的專用電路為每個(gè)電池提供過(guò)壓和欠壓故障檢測(cè)，并提供兩個(gè)過(guò)溫故障檢測(cè)輸入。當(dāng)單元值超過(guò)安全閾值時(shí)，器件提供FAULT和ALERT輸出。 BQ76PL536通過(guò)獨(dú)立于主機(jī)通信總線的I/O引腳提供這些保護(hù)輸出信號(hào)，在沒(méi)有主機(jī)MCU干預(yù)的情況下在硬件中啟用故障信號(hào)。在大型鋰離子電池堆中，工程師可以菊花鏈?zhǔn)竭B接這些信號(hào)，以便將保護(hù)信號(hào)隔離到特定的電池和電池串（圖3）。

圖3：高級(jí)電池管理IC為電池管理信號(hào)提供專用輸入和輸出引腳，允許工程師以菊花鏈形式連接多個(gè)設(shè)備以監(jiān)控大型電池組中的電池（德州儀器公司提供）。

總結(jié)

對(duì)于獨(dú)立的能量收集應(yīng)用，工程師可以使用將電池單元測(cè)量功能與無(wú)線通信相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)電池操作和安全性。具有成對(duì)或集成無(wú)線功能的高度集成的低功耗MCU可滿足許多此類應(yīng)用的需求。對(duì)于更嚴(yán)格的監(jiān)控要求，專用電池管理IC可以提供詳細(xì)的測(cè)量和自動(dòng)故障檢測(cè)。使用這些可用的IC，工程師可以增強(qiáng)遠(yuǎn)程或獨(dú)立的能量收集設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)控他們的電池系統(tǒng)并將電池狀態(tài)傳達(dá)給中央設(shè)施。