锂离子电池低功耗管理系统的研制_孙怀兵.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|53电子元器件与材料锂离子电池低功耗管理系统的研制孙怀兵1,2，秦宗伟1，黄丽宏21.湖南华兴新能源科技有限公司深圳分公司，广东深圳518118；2.西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039摘要：本文主要研究一种锂离子电池管理系统BMS的控制装置，包括主电源电路、主控制器电路、开关驱动电路、开关模块、唤醒电路及非唤醒电路。此外，本文还研究了一种低功耗管理电路系统的控制方法，当电路系统进入低功耗状态时，非唤醒电路完全断电，实现该部分电路零功耗，且非唤醒电路的器件、芯片无需选择具有休眠模式的器件和芯片，从而降低成本。关键词：锂离子电池；低功耗；BMS；降低成本中图分类号:TM911 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.013 0引言在现行的电子、电路、电气模块和系统中，通常系统在待机时线路板还在工作或部分非必需的电路还在工作，造成系统能量损耗浪费。如何设计能够让系统在不需要工作时能够关闭掉所有非必要的电路电源，降低必需工作的部分电路功耗，实现系统的超低功耗，在需要工作时能够正常、快速地被唤醒，本文研究一种电路控制装置和低功耗控制方法，将电路系统中各电路进行分割，分别供电和低功耗控制。在系统进入低功耗状态时，控制非唤醒电路（非必需工作的电路）完全断电，实现该部分电路零功耗，同时非唤醒电路的器件、芯片无需选择具有休眠低功耗模式的器件和芯片，降低系统成本。并对系统休眠时用于支持唤醒系统的必要电路（系统休眠时必需工作的电路）进入低功耗模式进一步降低功率损耗，以节省能源。1研究现状随着社会的发展进步，环境污染、能源浪费导致的问题越来越突出，节能减排越来越受到国家与企业的重视。在电子、电路、电气系统中，对系统低功耗、低损耗的许多应用显得尤为重要，比如：储能基站BMS电池管理系统、电动汽车或电动自行车电池BMS电池保护板管理系统1、打印机系统等，在电池已安装但系统负载未连接或无外部命令需执行操作等状态下，为降低能耗系统是应该进入低功耗模式的。但是，现有的一些电路系统或设备在不需要工作的情况下，依然在持续工作，存在大量能源的浪费；还有部分电路系统或设备在不需要工作的情况下，通过处理器控制“唤醒信号产生相关电路”和“与唤醒信号产生无关的电路”进入休眠状态，同时，处理器也进入待机休眠状态。例如：意法半导体（ST）超低功耗MCU系列、超低功耗PIC单片机系列等2，能量虽然得到了比较大的节省，但“与唤醒信号产生无关的电路”中有部分模块电路或器件不存在低功耗模式（如电阻、电容、电感、三极管、二极管等元件和某些芯片与电路），这些器件和电路的等效电阻都会导致电能的损耗（图1）。另外，即使这些“与唤醒信号产生无关的电路”有低功耗模式，这些电路在系统不需要工作的情况下低功耗休眠所损耗的能量也无意义。作者简介：孙怀兵，男，重庆，硕士，中级工程师，研究方向：新能源电源材料及器件的研究、设计与生产。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术54|电源电路主控制器电路唤醒信号产生相关电路与唤醒信号产生无关的电路唤醒信号休眠控制低功耗休眠时必须工作的电路电源正极总线电源负极总线图 1传统电路系统低功耗控制本研究正是基于此提出一种新的方法：在电路系统（电路板PCB或电子电气系统）架构中，将低功耗休眠时必须要工作的电路（休眠唤醒相关电路）和不需要工作的电路的供电电源分开控制，在电路系统或设备不需要正常运行时，通过主控制器电路对不需要工作的电路电源进行控制切断，实现该部分电路的零功耗3-4。对于唤醒相关和休眠时必须要工作的电路，控制进入低功耗模式，实现该部分电路的低损耗。最后对微控制器不必要工作的外设等电路进行关闭，并控制自身进入休眠待机低功耗状态。同时，在系统工作状态和休眠状态下，从微控制器软件与算法设计角度以降低软件运行功耗（如：中断驱动、待机唤醒、算法优化等）5-7。最终实现整个电路系统的低功耗节能状态。2控制系统的原理介绍2.1组成框图如图2和图3所示，系统框图由电源电路、与唤醒信号产生无关的电路、主控制器电路、开关驱动电路、唤醒信号产生相关电路、电源控制开关S等组成。电源电路：给电路系统中不同的功能模块电路供电，电源电路可以是多项输出，系统中的部分模块电路，可以由各路电源单独供电，也可以由同一路电源给某几个模块供电。电路系统架构中将低功耗休眠时必须要工作的电路（休眠唤醒相关电路）和不需要工作的电路的供电电源分开控制，在低功耗休眠时将不需要工作电路的电源切断。主控制器电路：可以控制其他电路进入休眠低功耗模式，也可以唤醒其他电路模块进入正常工作模式，同时还可以控制自身进入睡眠或待机模式降低功耗，并且具有接收外部唤醒信号来唤醒自身和系统的能力。与唤醒信号产生无关的电路：当系统需要唤醒时，与该唤醒信号产生无关的电路集合。开关驱动电路：接收主控制电路控制信号驱动电源控制开关S闭合或断开的电路。与唤醒信号产生相关的电路：指系统在唤醒时必须工作的用于感知外部事件或异常的电路和用于产生唤醒主控制器电路信号的相关电路集合。电源控制开关S：在电子电路系统进入低功耗休眠模式时，用于控制“与唤醒信号产生无关或不必要工作的电路”电源断开的开关器件，该控制开关器件不限于MOSFET、BJT、IGBT、可控硅、继电器、接触器等机械或电子的控制开关器件。电源电路1主控制器电路唤醒信号产生相关电路与唤醒信号产生无关的电路唤醒信号休眠控制电源电路2低功耗休眠时必须工作的电路S开关驱动电路电源正极总线1电源负极总线1电源正极总线2电源负极总线2图 2电路系统架构-1电源电路3主控制器电路唤醒信号产生相关电路与唤醒信号产生无关的电路唤醒信号休眠控制低功耗休眠时必须工作的电路供电正极线供电负极线S开关驱动电路电源正极总线电源负极总线图 3电路系统架构-22.2关键技术在电路系统架构中将低功耗休眠时必须要工作的电路（休眠唤醒相关电路）和不需要工作的电路的供电电源分开控制，并在电路系统低功耗休眠时，将此时不需要工作的电路电源进行切 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|55电子元器件与材料断，对系统休眠时必须工作的电路控制进入低功耗休眠状态，最后对微控制器不必要工作的外设等电路进行关闭，并控制自身进入待机休眠状态以实现整个电路系统的低功耗。2.2.1低功耗休眠过程当电路系统（电路板PCB或电子电气系统）不需要完全工作或运行时即需要休眠时，如储能基站或家庭储能BMS电池保护板系统、电动自行车电池BMS保护系统等，在未接负载、运输或存储时，由于电池已经安装但未连接或未使用用电负载设备，为了降低功耗节约能源，BMS保护板系统有必要进入低功耗休眠模式。此时，主控制器电路控制开关S断开，切断“与唤醒信号产生无关的电路”和休眠时不必要工作的电路的电源，并且控制其他与唤醒相关的电路（唤醒信号产生相关电路、开关驱动电路等）进入低功耗工作模式，接着主控制电路控制自身进入睡眠或待机低功耗模式，此时系统达到低功耗的目的。由于“与唤醒信号产生无关的电路”和休眠时不必要工作的电路的电源被控制切断，该部分电路几乎达到零损耗的要求。2.2.2休眠唤醒过程当电路系统感知到外部唤醒事件(如：负载连接、通信唤醒等)或异常（如：电池高温、绝缘漏电、电池过充等）时，“唤醒信号产生相关电路”将产生一个系统唤醒信号，输入主控制器电路，主控制器电路的微控制器被唤醒后，输出控制信号控制电源开关S闭合，给“与唤醒信号产生无关的电路”和休眠时不必要工作的电路提供电源，启动正常工作，并唤醒系统其他处于低功耗休眠状态的相关电路正常工作。3系统软硬件设计介绍图4提供了一种电路系统的控制装置，包括主电源电路、主控制器电路、开关驱动电路、开关模块、唤醒电路和非唤醒电路。主电源电路分别连接主控制器电路、开关驱动电路及唤醒电路，主电源电路还通过开关模块连接非唤醒电路。可以理解为，主电源电路能够为主控制器电路、开关驱动电路、开关模块、唤醒电路及非唤醒电路供电。主电源电路包括电源正极总线及电源负极总线，主控制器电路、开关驱动电路及唤醒电路的正极端及负极端均对应连接电源正极总线及电源负极总线。开关模块连接于电源正极总线与非唤醒电路的正极端之间，非唤醒电路的负极端连接电源负极总线。主电源电路主控制器电路唤醒电路非唤醒电路唤醒信号休眠控制低功耗状态下必须工作的电路供电正极线供电负极线开关驱动电路电源正极总线电源负极总线图 4电路系统的控制装置主控制器电路即具有控制功能的电路，可以控制其他电路进入休眠模式，也可以接收唤醒信号以唤醒其他电路模块进入正常工作模式，同时，还可以控制自身进入休眠模式或待机模式以降低功耗，并且具有接收外部唤醒信号以唤醒自身和系统的能力。开关驱动电路用于接收主控制器电路的控制信号，并能够驱动开关模块断开或接通；开关模块为场效应管、三极管、绝缘栅双极型晶体管、可控硅、继电器、接触器中的一种，可以为机械或电子控制的各类开关器件。当开关模块断开时，即主电源电路的电源正极总线与非唤醒电路的正极端断开，则主电源电路停止为非唤醒电路供电，非唤醒电路完全断电，该部分实现电路零功耗。唤醒电路是指电路系统在唤醒时，用于感知外部事件或异常的必须工作的电路集合，唤醒电路还用于产生唤醒信号，并将唤醒信号发送至主控制器电路，以唤醒主控制器电路。非唤醒电路即当电路系统需要唤醒时，与唤醒信号产生无关的电路集合。也就是说，非唤醒电路无需感知外部事件或异常，无需产生唤醒信号。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术56|另外，当电路系统（如电路板或电子电气系统）不需要完全工作或运行即需要休眠时，例如在储能基站、家庭储能电池保护板系统、电动自行车电池保护系统在未接负载、进行运输或存储时，由于电池已经安装但未连接或未使用用电负载设备，为了降低功耗节约能源，则电路系统有必要进入低功耗状态。当电路系统进入低功耗状态时，主控制器电路发送控制信号至开关驱动电路，开关驱动电路根据控制信号控制开关模块断开，主电源电路停止为非唤醒电路供电。因此，本研究提供的电路系统的控制装置，主电源电路通过开关模块连接非唤醒电路，当电路系统进入低功耗状态时，主控制器电路控制开关驱动电路驱动开关模块断开，进而主电源电路停止为非唤醒电路供电，非唤醒电路完全断电，实现该部分电路零功耗，降低了电路系统处于低功耗状态下的功耗，避免了能源的浪费；并且，非唤醒电路的器件、芯片无需选择具有休眠模式的器件和芯片，系统成本更低；当电路系统进入低功耗状态时，主控制器电路还控制开关驱动电路及唤醒电路进入休眠模式，即控制用于产生唤醒信号的唤醒电路及控制开关模块连通或断开的开关驱动电路进入休眠模式，进一步减小了电路系统处于低功耗状态下的功耗。本文中，当开关驱动电路及唤醒电路进入休眠模式后，主控制器电路进入休眠模式，即主控制器电路本身也进入休眠模式，进而减小功耗。可以理解为，主控制器电路、开关驱动电路及唤醒电路均为电路系统低功耗状态下必需工作的电路，以实现低功耗状态下的电路系统的唤醒；当电路系统感知到外部唤醒事件（如：负载连接、通信唤醒等）或异常（如：电池高温、绝缘漏电、电池过充等）时，电路系统结束低功耗状态。此时，唤醒电路发送唤醒信号以唤醒主控制器电路，主控制器电路发送控制信号至开关驱动电路，开关驱动电路也唤醒，开关驱动电路根据控制信号控制开关模块连通，即主电源电路为非唤醒电路供电，非唤醒电路启动正常工作，如此，电路系统进入正常工作状态。如图5所示，在其他应用方式中，电路系统的控制装置还包括第一分电源电路及第二分电源电路。第一分电源电路连接于主电源电路与主控制器电路之间，第二分电源电路连接于开关模块与非唤醒电路之间；第二分电源电路还可以设置于主电源电路与开关模块之间；第一分电源电路可以为主控制器电路、开关驱动电路及唤醒电路供电，第二分电源电路可以为非唤醒电路供电，即电源电路可以是多路输出，系统中的部分模块电路可以是各路电源单独供