基于状态机的锂电池监测系统设计与实现

摘 要

由于锂电池本身固有特性，若长期处于过充、过放、过热等一些不稳定状态，其充放电次数会大大减少，本设计采用状态机的方法实现智能电池信息状态采集和智能化管理的无缝对接，以延长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可靠性，为传统锂电池充放电管理这一技术问题提供一定的参考价值。

【关键词】状态机 电池保护 智能管理

随着经济技术的发展，电池，特别是锂电池，已经广泛应用于人们的生产和生活之中，给人们带来了无穷的便利。但是，目前很多电池在工作时仅仅只是提供了电源功能，并没有对其进行智能化的监控和管理，随着电池的老化，过充、过放等使用情况的增加，很容易造成锂电池失去储能功能或寿命大幅减少，因此，对锂电池的管理与监测就显得尤为迫切，本设计即为一个智能电池状态采集与数据管理的二合一监测系统，用以延长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可靠性。

1 锂电池监测系统整体设计

系统主要由基于状态机的控制模块和电池计量与保护模块构成。前者主要通过状态机的流转对整个电池进行智能化的管理。后者包括对电芯电压电流等采样数据进行实时计算，对计算结果结合保护参数进行决策，继而通过关断充放电开关对电芯进行保护。两者之间以SMBUS的方式进行实时通信，获取电池的状态量、告警数据等重要信息，并把这些信息以主动上报（对于告警数据）或定时发送（对于状态量数据）的方式跟上位机交互，让上位机获取电池的响应状态。同时，控制模块可根据功能选项，控制电池计量与保护模块及本身的功耗模式，达到最佳的节能方式。

2 锂电池监测系统的状态机设计

2.1 锂电池监测系统的状态分析

状态分析完成对电池相关数据的提取、分析、存储和上报等功能，以及对电池的实时保护。通过状态机的流转对整个电池进行智能化的管理。状态机主要包括电池开启状态、主控MCU唤醒状态、状态决策等待状态、放电状态、充电状态、休闲状态、低功耗状态、电池寿命显示状态，通过按键信息的获取和与智能电池采集模块进行交互，状态之间可以有条件的进行切换。7种状态如下：

（1）低功耗状态：状态1，主控MCU停止工作，工作电流下降到几十个微安；

（2）主控MCU唤醒状态：状态2，主控MCU通过按键从低功耗模式下唤醒，运行在正常工作频率；

（3）等待决策状态：状态3，通过与智能电池计量与保护模块进行信息采集，决策当前电池处于充电、放电、还是休闲状态；

（4）休闲状态：状态4，电池既不处于充电也不处于放电；

（5）充电状态：状态5，电池处于充电状态；

（6）放电状态：状态6，电池处于放电状态；

（7）电池寿命显示状态：状态7，电池寿命显示。

状态流转过程包括对电池的各种状态切换均能实时的控制，对电芯的各种异常状态反馈均能实时的响应，并做出告警指示。通过与智能电池计量与保护模块进行信息交互，完成对整个系统的智能控制。包括电池的开启、电池的关闭、电池状态量的采集、系统低功耗控制，同时能够实时显示当前电池组的剩余电量、电芯的寿命信息以及电芯异常告警信息，并有蜂鸣器做声音提示，如图1所示。

2.2 基于状态机的控制模块设计

控制模块实现对电池智能化管理的功能，分为工作时的任务和待机时的任务；

上电复位初始化，设置电池保护和计量模块的相关参数，主要是用于计量的阻抗相关参数，电芯型号，电池保护相关的一些阈值， 在非低功耗状态下，即状态4、状态5、状态6下，不同状态之间的决策如图2所示：

（1）每隔1秒钟通过SMBUS总线从电池计量与保护模块中采集电量信息数据，状态数据，告警数据，如有告警事件发生，主动上报；采集到的数据存放在片上Ram空间，并每隔1秒钟刷新一次，每个数据存储时附加CRC校验码，确保数据的准确性；

（2）每隔3秒主动上报片上Ram空间中的数据和状态；

（3）响应上位机的随机召测数据命令；

（4）根据采集到的数据显示不同的状态信息，电量或报警信息；记录电池使用过程中，出现的状况或报警信息；记录电池最近使用的32次历史纪录，写入EEPROM；在充放电时，4个LED指示燈显示当前电池电量；

（5）参与上行接口参数校准，并把校准值写入EEPROM，该参数用于电池计量与保护模块。

通过按键中断（先短按电源按键一次，再长按电源按键2秒以上）电池控制模块主动进入低功耗，进入低功耗之前设置计量使能IO无效，然后发送sleep命令给智能电池计量和保护模块，让其也进入低功耗状态；在低功耗状态下，电池控制模块完成以下功能：

利用定时器唤醒，判断天数和电池电量，决定是否自放电；当电池电量大于65%无任何操作（包括查看电量等操作）存储10天后，电池可启动自放电至65%电量，以保护电池。

2.3 状态机下电池电量计量与保护模块设计

电池的保护主要包含：电池充电温度保护、电池充电过流保护、电池充电短路保护、电池放电短路保护、电池过放保护。对于任何一种保护，都采用如图3所示的保护机制，电池计量与保护模块通过对电池进行实时电压、电流、温度、剩余电量等状态量进行实时监测，保护电芯不受损害。以电池过放保护为例，Vtrip=3V为电池过放的触发电压，Vrecovery=3.1V为从电池过放恢复电压。当保护模块监测到电压低于Vtrip，并且超过设定的某一时间常数后，启动电池过放保护，主要是关闭放电开关，在之后的过程中，一旦监测到电压高于Vrecovery 并且维持设定的某一时间常数，就恢复放电。在这个过程中，有效的避免了放电电压过低。

3 总结

本设计主要通过状态机的流转对整个电池进行智能化的管理，控制模块由7个状态作为基本要素，各状态之间精密联系，在某一条件满足的情况下，可以由某种状态切换到相应状态，并执行对应的功能；计量与保护模块对电芯的各种异常状态反馈均能实时的响应，并做出告警指示。通过与控制模块进行信息交互，完成对整个系统的智能控制。包括电池的开启、电池的关闭、电池状态量的采集、系统低功耗控制，同时能够实时显示当前电池组的剩余电量、电芯的寿命信息以及电芯异常告警信息，并有蜂鸣器做声音提示。

参考文献

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作者简介

李宇峰（1983-），男，湖南省岳阳市人。讲师。工学硕士。研究方向为单片机与嵌入式系统设计。

作者单位

湖南信息职业技术学院 湖南省长沙市 410200endprint