如何实现高效的远程电池监控系统

在能量收集应用中，当来自环境源的能量减少到低于有用水平时，备用电池在维持功率输出方面起着关键作用。为了保持电池性能和安全性，这些应用需要能够将电池状态和故障状态传达给中央服务器和操作员。特别是，电池组的安全操作需要仔细监控以检测可能导致电池故障的电池缺陷，短路和劣化。例如，与锂离子电池组相关的安全问题正在推动对连续电池监测和故障的快速通信的需求以及能够在严重故障发生之前进行干预的人类操作员的潜在问题。

设计人员可以利用IC制造商提供的可用设备实现高效的远程电池监控功能，包括ADI公司，Atmel公司，凌力尔特公司，Maxim Integrated公司，Silicon Labs公司和德州仪器公司。

远程电池监控子系统将基于MCU的电池监控和无线通信功能与低功耗RF收发器或具有集成无线功能的MCU相结合，将电池状态传输到中央设施（图1）。

图1：远程电池监控解决方案依靠带集成ADC的MCU来测量电池电压并通信电池使用成对的RF收发器（A）或集成无线功能（B）的状态。对于要求更高的应用，专用电池管理IC提供额外的细节和保护（德州仪器提供）。

在许多应用中，带有集成ADC的低功耗MCU可以提供所需的单元监控级别，测量单元电压并执行软件程序来识别故障。德州仪器（TI）MSP430F2012和MSP430F2013 16位MCU将低功耗运行与集成ADC，模拟比较器，存储器和串行接口相结合。工程师可以选择采用MSP430F2012的10位ADC，或采用MSP430F2013的16位sigma-delta ADC，以满足需要更高分辨率测量的应用。

与TI的CC2500 2.4 GHz收发器或CC2520 ZigBee收发器配合使用，TI等集成MCU可提供完整的远程电池监控解决方案。另外，设计人员可以选择Silicon Labs SI1031 MCU等MCU，它集成了高速8051内核，12位ADC，存储器，多个数字外设和ISM频段收发器。 Silicon Labs SI1021还提供集成的LCD控制器，以支持本地显示功能。

专为电池管理而设计，Atmel ATMEGA32HVB将公司的AVR 8位MCU与12位ADC，18位库仑逆流ADC和存储器相结合，可监控多达4个锂离子电池，电流，大电流和短路故障（图2）。 Atmel设计了ATMEGA32HVB，以便在引脚短路，充电器连接不良，软件错误或由电池组或VCC短路引起的电源断电时为电池提供安全保护。该器件还提供外部保护输入，允许工程师使用外部组件实现专门的电池保护功能。

图2：Atmel ATMEGA32HVB MCU将8位MCU内核与专用片上电路相结合，可监控多达4个锂离子电池（Atmel提供）。

在运行中，ATMEGA32HVB上运行的软件可以使用两个外部热敏电阻输入通道监控单个电池电压，以及片上温度和外部温度。库仑计数器累积充电和放电电流，以13位分辨率报告高分辨率或瞬时电流测量的累积电流。

对于具有大型电池组或需要更深电池保护的应用的系统，工程师可以利用各种电池管理IC来监控电池组的关键性能参数，并在出现故障时向MCU提供信号。先进的电池管理IC，如ADI公司的AD8280，凌力尔特公司的LTC680x，Maxim Integrated MAX1492x和德州仪器公司的BQ76PL536，旨在监控通常用于能量存储和电源备份的能量收集应用的大型电池组。此类器件通常集成了高分辨率ADC，精密电压基准，高压输入多路复用器和用于与主机MCU通信的串行接口。

ADI公司的AD8280支持多达六个锂离子电池，并提供独特的自测功能，专为高可靠性应用而设计。在自测模式下，AD8280产生内部故障条件，并将结果与预期结果进行比较，如果自检失败则发出警报。

凌力尔特公司的器件LTC680x系列可同时监控多达12个锂离子电池。虽然LTC6801和LTC6802器件专为锂离子电池监测而设计，但LTC6803支持锂离子电池，超级电容器和多化学电池监测，而LTC6804则支持锂离子和镍氢电池监测。

Maxim Integrated的MAX1492x系列通过MAX14920支持多达12个锂离子电池，MAX14921支持多达16个电池。德州仪器（TI）BQ76PL536 IC最多支持六个锂离子电池。

此类中的所有设备都提供以菊花链方式连接多个设备以监控大量单元的功能。工程师可以垂直堆叠德州仪器BQ76PL536，以监控多达192个锂离子电池，而无需IC之间的隔离元件。与许多此类器件一样，BQ76PL536提供高速串行外设接口（SPI）总线，可与MCU（如TI MSP430F5529低功耗16位MCU）进行通信。

Daisy链接监控大型锂离子电池堆，BQ76PL536集成了电压转换和精密ADC，可准确，快速地测量电池电压。在直接从主机MCU或通过菊花链接收CONV转换信号时，器件通过其集成的14位高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC启动转换周期。该器件通过前端多路复用器为ADC供电，该多路复用器具有九个输入，用于六个单元，两个温度传感器和一个通用模拟输入。

BQ76PL536中的专用电路为每个电池提供过压和欠压故障检测，并提供两个过温故障检测输入。当单元值超过安全阈值时，器件提供FAULT和alert输出。 BQ76PL536通过独立于主机通信总线的I/O引脚提供这些保护输出信号，在没有主机MCU干预的情况下在硬件中启用故障信号。在大型锂离子电池堆中，工程师可以菊花链式连接这些信号，以便将保护信号隔离到特定的电池和电池串（图3）。

图3：高级电池管理IC为电池管理信号提供专用输入和输出引脚，允许工程师以菊花链形式连接多个设备以监控大型电池组中的电池（德州仪器公司提供）。

总结

对于独立的能量收集应用，工程师可以使用将电池单元测量功能与无线通信相结合的远程监控子系统来增强电池操作和安全性。具有成对或集成无线功能的高度集成的低功耗MCU可满足许多此类应用的需求。对于更严格的监控要求，专用电池管理IC可以提供详细的测量和自动故障检测。使用这些可用的IC，工程师可以增强远程或独立的能量收集设计，能够监控他们的电池系统并将电池状态传达给中央设施。