基于狀態機的鋰電池監測系統設計與實現

摘 要

由于鋰電池本身固有特性，若長期處于過充、過放、過熱等一些不穩定狀態，其充放電次數會大大減少，本設計采用狀態機的方法實現智能電池信息狀態采集和智能化管理的無縫對接，以延長電池使用壽命、提高電池的能量效率和運行可靠性，為傳統鋰電池充放電管理這一技術問題提供一定的參考價值。

【關鍵詞】狀態機 電池保護 智能管理

隨著經濟技術的發展，電池，特別是鋰電池，已經廣泛應用于人們的生產和生活之中，給人們帶來了無窮的便利。但是，目前很多電池在工作時僅僅只是提供了電源功能，并沒有對其進行智能化的監控和管理，隨著電池的老化，過充、過放等使用情況的增加，很容易造成鋰電池失去儲能功能或壽命大幅減少，因此，對鋰電池的管理與監測就顯得尤為迫切，本設計即為一個智能電池狀態采集與數據管理的二合一監測系統，用以延長電池使用壽命、提高電池的能量效率和運行可靠性。

1 鋰電池監測系統整體設計

系統主要由基于狀態機的控制模塊和電池計量與保護模塊構成。前者主要通過狀態機的流轉對整個電池進行智能化的管理。后者包括對電芯電壓電流等采樣數據進行實時計算，對計算結果結合保護參數進行決策，繼而通過關斷充放電開關對電芯進行保護。兩者之間以SMBUS的方式進行實時通信，獲取電池的狀態量、告警數據等重要信息，并把這些信息以主動上報（對于告警數據）或定時發送（對于狀態量數據）的方式跟上位機交互，讓上位機獲取電池的響應狀態。同時，控制模塊可根據功能選項，控制電池計量與保護模塊及本身的功耗模式，達到最佳的節能方式。

2 鋰電池監測系統的狀態機設計

2.1 鋰電池監測系統的狀態分析

狀態分析完成對電池相關數據的提取、分析、存儲和上報等功能，以及對電池的實時保護。通過狀態機的流轉對整個電池進行智能化的管理。狀態機主要包括電池開啟狀態、主控MCU喚醒狀態、狀態決策等待狀態、放電狀態、充電狀態、休閑狀態、低功耗狀態、電池壽命顯示狀態，通過按鍵信息的獲取和與智能電池采集模塊進行交互，狀態之間可以有條件的進行切換。7種狀態如下：

（1）低功耗狀態：狀態1，主控MCU停止工作，工作電流下降到幾十個微安；

（2）主控MCU喚醒狀態：狀態2，主控MCU通過按鍵從低功耗模式下喚醒，運行在正常工作頻率；

（3）等待決策狀態：狀態3，通過與智能電池計量與保護模塊進行信息采集，決策當前電池處于充電、放電、還是休閑狀態；

（4）休閑狀態：狀態4，電池既不處于充電也不處于放電；

（5）充電狀態：狀態5，電池處于充電狀態；

（6）放電狀態：狀態6，電池處于放電狀態；

（7）電池壽命顯示狀態：狀態7，電池壽命顯示。

狀態流轉過程包括對電池的各種狀態切換均能實時的控制，對電芯的各種異常狀態反饋均能實時的響應，并做出告警指示。通過與智能電池計量與保護模塊進行信息交互，完成對整個系統的智能控制。包括電池的開啟、電池的關閉、電池狀態量的采集、系統低功耗控制，同時能夠實時顯示當前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示，如圖1所示。

2.2 基于狀態機的控制模塊設計

控制模塊實現對電池智能化管理的功能，分為工作時的任務和待機時的任務；

上電復位初始化，設置電池保護和計量模塊的相關參數，主要是用于計量的阻抗相關參數，電芯型號，電池保護相關的一些閾值， 在非低功耗狀態下，即狀態4、狀態5、狀態6下，不同狀態之間的決策如圖2所示：

（1）每隔1秒鐘通過SMBUS總線從電池計量與保護模塊中采集電量信息數據，狀態數據，告警數據，如有告警事件發生，主動上報；采集到的數據存放在片上Ram空間，并每隔1秒鐘刷新一次，每個數據存儲時附加CRC校驗碼，確保數據的準確性；

（2）每隔3秒主動上報片上Ram空間中的數據和狀態；

（3）響應上位機的隨機召測數據命令；

（4）根據采集到的數據顯示不同的狀態信息，電量或報警信息；記錄電池使用過程中，出現的狀況或報警信息；記錄電池最近使用的32次歷史紀錄，寫入EEPROM；在充放電時，4個LED指示燈顯示當前電池電量；

（5）參與上行接口參數校準，并把校準值寫入EEPROM，該參數用于電池計量與保護模塊。

通過按鍵中斷（先短按電源按鍵一次，再長按電源按鍵2秒以上）電池控制模塊主動進入低功耗，進入低功耗之前設置計量使能IO無效，然后發送sleep命令給智能電池計量和保護模塊，讓其也進入低功耗狀態；在低功耗狀態下，電池控制模塊完成以下功能：

利用定時器喚醒，判斷天數和電池電量，決定是否自放電；當電池電量大于65%無任何操作（包括查看電量等操作）存儲10天后，電池可啟動自放電至65%電量，以保護電池。

2.3 狀態機下電池電量計量與保護模塊設計

電池的保護主要包含：電池充電溫度保護、電池充電過流保護、電池充電短路保護、電池放電短路保護、電池過放保護。對于任何一種保護，都采用如圖3所示的保護機制，電池計量與保護模塊通過對電池進行實時電壓、電流、溫度、剩余電量等狀態量進行實時監測，保護電芯不受損害。以電池過放保護為例，Vtrip=3V為電池過放的觸發電壓，Vrecovery=3.1V為從電池過放恢復電壓。當保護模塊監測到電壓低于Vtrip，并且超過設定的某一時間常數后，啟動電池過放保護，主要是關閉放電開關，在之后的過程中，一旦監測到電壓高于Vrecovery 并且維持設定的某一時間常數，就恢復放電。在這個過程中，有效的避免了放電電壓過低。

3 總結

本設計主要通過狀態機的流轉對整個電池進行智能化的管理，控制模塊由7個狀態作為基本要素，各狀態之間精密聯系，在某一條件滿足的情況下，可以由某種狀態切換到相應狀態，并執行對應的功能；計量與保護模塊對電芯的各種異常狀態反饋均能實時的響應，并做出告警指示。通過與控制模塊進行信息交互，完成對整個系統的智能控制。包括電池的開啟、電池的關閉、電池狀態量的采集、系統低功耗控制，同時能夠實時顯示當前電池組的剩余電量、電芯的壽命信息以及電芯異常告警信息，并有蜂鳴器做聲音提示。

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作者簡介

李宇峰（1983-），男，湖南省岳陽市人。講師。工學碩士。研究方向為單片機與嵌入式系統設計。

作者單位

湖南信息職業技術學院 湖南省長沙市 410200endprint