电池知识
锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
电池知识
锂离子、磷酸铁锂、锰酸锂、新能源
办法
首先，将一个典型的电池管理系统划分为充电、保护、电量计量和安全四个模块：
1.充电
基于二次电池的电池包不同于一次电池包，二次电池包在使用后需要充电，而不是象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，在其神奇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。充电器是不是为独立单元：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包内；其他紧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，可用于单节或双节锂离子/聚合物电池包的线性充电器。线性充电器的输出噪音低，对那些收发语音和数据的系统显得非常紧要。
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。它蕴含为锂离子电池、镍电池和铅酸蓄电池充电的算法。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，以指挥设计人员进行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，另外一个处理方案是使用带充电控制器的电量计IC。pS501带有脉冲充电电路来控制通用输入/输出，可达到这一要求。这种拓扑提供了一个非常紧凑而且成本效益高的处理方案。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。
2.保护
当使用锂离子/聚合物电池时，非得提供保护功能，因为过充或过热可引起火灾或爆炸。铅酸蓄电池或镍电池无需保护，但也经常为其提供保护电路以戒备电池损坏或退化。主保护电路为专用电路，用以测试是不是发生了不安全状况，并在测试到不安全状况时封闭电池包以避免损坏。二次保护电路戒备电池在不安全状况下持续充电和/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，化学熔丝可永久封闭电池包。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处理方案的成本。Micorchip的电量计，如pS501和pS810，可监控各节电池的电压、电池包电压、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满足非常复杂的安全要求。
3.电量计量
电量计量不单是对流入流出电池包的电流进行监控。精确的电量计量需要一个系统办法，综合考虑典型的使用方式、环境和客户期待。理想状况下，电池管理IC可向用户提供良好的工作性能，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，并通过精确测试满充和满放点来提供额外的安全。它们还可检测和避免电池失衡和过热等状况。这些算法可依据系统状况来调整，并可以减缓电池老化。它们运用电池行为的可配置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，而不必担心可导致数据丢失的意外关机。Microchip的电量计产品具备加强功能，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，大多数人应有同感。它轻则会降低客户满意度，重则会引起紧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时。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使用了一种根据系统关机时能量需求信息的算法，如下图所示。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，放电曲线的电压也发生改变。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。4.安全
带有可拆卸电池包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，如采用神奇的外形规格或连接器，以及从电池读取的标志位。但遗憾的是，这些安全措施很容易被攻破。用户真正需要的是一种灵活的系统级处理方案，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处理方案，即KEELOQ°加密算法，这种压缩的64位编码算法可为各种使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算法已被使用于各种安全系统中，如无钥门禁系统(主要使用于汽车行业)。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，系统会祈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位的应和。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。当在电池包中使用Microchip电量计时，无需额外的硬件即可使系统具备安全功能。如果电池包中没有电量计，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解决器、电量计和充电器。
模块图如下：计划与分区
当设计一个采用二次电池作为电源的使用时，在产品设计阶段就进行充电系统的计划至关紧要。这个问题经常在系统开发后期才引起重视，从而导致系统性能低下，因为此时非得要做出很多让步。分区很紧要，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，还会影响这些模块要怎么样互动。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紧要，表2将最常见的化学电池作了小结。
决定电池包配置的因素有：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、电池包中还是系统外也是一项紧要的考虑事项。嵌入式电池可以将充电器置于系统中，但对于可拆卸电池包来说就不方便了，尤其是当用户拥有多个电池包时。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包中可以使电池包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紧要方面的比较。
下面讨论是不是需要电量计量。为了延长电池包寿命，电量计量可为系统提供任何工作条件下的精确电池信息。它能实现动态电源管理，是性能优良的电池管理系统的核心。这其中的一个紧要因素是电量计和系统之间采用什么样的通信接口来交换信息。可以使用双线接口和单线接口。当然，如果系统的其他部分已经采用了某种通信协议，提议采用相同的协议与电量计进行通讯。如果电池包是可拆卸的，电量计是置于系统内还是电池包内则成为一个紧要因素。如果需要保存保修所需的历史资料和使用信息，将电量计置于电池包内是最佳选择。对于有多个可拆卸电池包的系统，电量计内置于系统中无法记录上述信息。另一个紧要的考虑因素是电池信息是蕴含在系统显示内容中还是会单独显示，或者两者都有。有些可拆卸电池包蕴含一个小型充电状态显示器，从而不必将电池插入系统来查看剩余电量。最后，如果电池包有保护电路，那么可以用单独的安全IC、电量计，或者两者共同负责电池的二次保护。
按照电池供应商的提议进行安全操作是非常紧要的。如果电池具备验证功能，系统对无法识别的电池会做出反应。系统的某些部分，如充电部分，可以被封闭，也可使整个系统断电。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要怎么样划分。早做计划将有助于为系统打下一个好的电源基础。
优化
为达到最佳系统性能，应在优化充电操作上花些心思。对于发现并纠正可能降低系统性能和用户体验的缺陷，进行系统内部探测是很紧要的。系统内部探测包括：确保系统在预期的温度和放电速率下达到性能要求；确定哪些是用户需要的信息，并以一种全面而易于理解的方式显示出来。
总结
电池提供的电源为系统带来生机。好的电池管理对用户来说应当是“无缝”的，而且它是愉悦的产品使用体验的基础。电池管理不佳将使产品成功成为泡影。作为系统如此紧要的一个组成部分，电池管理应当被充足知道，并提前计划和进行优化。采用Microchip的电池管理器件和算法，所有电池管理功能都可在不同的拓扑中实现。线性和开关充电器可以用于在电池包外部充电。线性充电器仅支持锂离子电池，而开关模式充电控制器含有为锂离子、镍电池和铅酸蓄电池充电的算法。使用电量计IC可实现电池包内置充电控制。Microchip的电量计IC包括多种算法，可精确进行镍电池或锂离子电池的电量计量、充电控制和冗余保护。凭借完善的计划、良好的设计，加上Microchip的电池管理专门技术，理想的电池管理系统将为产品的成功奠定基础。
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