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【摘 要】根据电池的基本工作特点，介绍了一种用于手机等小型设备的锂电池的管理系统。工作系统包括基于单片机的主控制模块、电池电量监测系统、电压检测模块、电流监测模块、温度检测模块等。通过对电池状态的跟踪，对电池进行全面监测和控制。该设计满足了多方面的要求，增强了锂电池的功能性，提高了可靠性和可维护性。
【关键词】锂电池管理；电量监测；温度检测；电压电流检测
1、前言
现在手机等小型智能设备中的电池多选用锂电池。锂电池具有自放电率极低，放电电压平缓等优点。然而锂电池在使用中最关键的就是充放电过程。比如要对电量进行监控，已充多少电，还需多久充满，已用多少电量，还有多久待机时间。其次就是电池使用的安全问题，电池温度的监测必不可少。为此，项目组根据锂电池管理的几个必不可少的因素进行了研究和开发，旨在研究过程中优化管理系统，提高电池性能。
2、系统的硬件设计
图1 系统电路图
电压采样、电流采样和温度采样测量锂电池的电压、电流和温度，并通过ADC转换为数字信号输出给单片机， 经过内部处理后用LCD显示。同时，AT89S52通过采样到的三个信号值进行电量算法的计算和显示。另外对锂电池的电压、电流和温度实施监控。
2.1 单片机及外围电路
为了充分利用单片机的I/O端口和外设并降低设计成本，系统选用了AT89S52。该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，完全满足系统需要。
AT89S52通过控制端口设定外设工作。单片机的P0并行端口接收ADC转换后的电压、电流的数字信号，P1端口用来LCD显示，P2.5端口接收DS18B20检测到的串行温度信号，另外通过其他端口进行ADC转换和LCD显示的控制。
2.2 电压、电流检测电路
对电压的监测采用传统的测量方法，测量电阻上的电压或者是经限流电阻直接输入到ADC转换模块。然后在ADC转换结束后，将电压的数字信号输出给AT89S52。对实时的精确的电量跟踪有较小的误差。相对于锂电池充放电的长周期，其误差可忽略不计。后面算法的选择上，如何适当的规避算法误差也是一个重要的问题。
对电流的测量，采用电流检测电阻，方法基本与电压检测相同。电流的测量范围很广，从几毫安到几十安。测量的精度要求不同，电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要。电池电流测量电路，采用一个0.2m 的精密电阻把流过的电流转换成电压再经放大器放大后送入单片机ADC采样接口。
2.3温度的测定
作为储电工具的锂电池总是不可避免的会遇到发热的问题。電池的温度对电池的容量，电压，内阻，充放电效率，使用寿命，安全性等方面都有较大的影响。所以我们对于电池的温度的检测是很有必要的。也可以通过对温度的控制来判断充放电是否完全。
本项目中我们使用的的是DS18B20芯片进行温度测量。DS18B20数字温度传感器具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，精度高且在一根通信线。
温度寄存器格式（从高位到低位）：
LS Byte：23，22，21，20，2-1，2-2，2-3，2-4；
MS Byte：S，S，S，S，S，26，25，24。
温度的计算方法如下：SSSSS=11111B 温度值，T=[（MSB and 7）×256+LSB]×0.0625 ℃；
SSSSS=00000B 温度值，T=[（256-MSB）×256+LSB]×0.0625 ℃。
2.4 LCD显示模块
一般在单片机系统中采用液晶屏显示数据或者图像。由于系统参量个数的要求，所以要选择能同时显示4行的液晶屏。
LM041L是专点阵型液晶显示模块，可显示4行，每行16个字符。提供了丰富的指令设置：清显示；光标回原点；显示开/关；光标开/关；显示字符闪烁；光标移位；显示移位等。LM041L液晶屏以上特点完全满足系统现实要求。LM041L液晶显示的初始化流程为：
使能端E置0；写入显示格式命令；开启显示；清屏；写入输入格式命令。
3 软件设计
在系统设计中采用了AT89S52做控制核心，所以软件设计非常重要。软件设计采用模块化设计思路，功能模块包括初始化及测控主程序、参数测量模块、电量计算模块、电池保护模块等。其软件设计流程为：初始化；采集电压、电流和温度；精确计算锂电池电量；数据测控保护；储存并LCD显示数据[3]。
3.1 电量软件算法的实现
由上文分析可知：电池电量主要与电压、电流和温度等相关，但不是线性相关，因此找出它们的关系尤为重要。根据对电池电量特性的分析和电压检测电量法以及库伦法。基于电池特性建立电池电量计算模型【2】如下：
电池电量= （当前修正电量 电流积分容量）/学习得到的总容量
当前修正电量由电压测量法测得，并以温度参量修正；电流积分容量采用库伦法，在锂电池工作状态对电流进行积分；学习得到的总容量由长时间的库伦法所得。
3.2 电量软件算法的实验数据
实验数据（电压（V），电量（%））如下所示： 室温：20 oC
（4.19，100）、（4.06，90）、（3.97，80）、（3.91，70）、（3.85，60）、（3.79，50）、（3.76，40）、（3.70，20）、（3.16，0）。
根据实验测量数据做出的SOC曲线符合一般电池放电特性，且与实际电量值基本相符。
4 结束语
本文提出的电量测量算法将库伦法和电压法相结合并带温度校正，这种方法可以实现较为精确的SOC测量。电池进入充放电状态时，则转而使用库伦法。当电池电压下降较大时，要考虑OVC曲线从而达到学习完全放电时的电量，同时进行电池保护。基于本文提出的电池电量汁算方法，实现了电量的精确测量。
参考文献：
[1]李宝成，方英民，刘东涛.电池管理系统（BMS）的设计理念[R]. 北京：第九届电源产业发展高峰论坛，2009.
[2]李申飞，易菊兰，琚小明.电池电量精确测量方法的研究与实现[R].华东师范大学软件学院，上海；新余高等专科学校，江.
[3]张金顶，王太宏，龙泽，雷晶晶，李进.基于MSP430单片机的1 2节锂电池管理系统[R]. 湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南.
【关键词】锂电池管理；电量监测；温度检测；电压电流检测
1、前言
现在手机等小型智能设备中的电池多选用锂电池。锂电池具有自放电率极低，放电电压平缓等优点。然而锂电池在使用中最关键的就是充放电过程。比如要对电量进行监控，已充多少电，还需多久充满，已用多少电量，还有多久待机时间。其次就是电池使用的安全问题，电池温度的监测必不可少。为此，项目组根据锂电池管理的几个必不可少的因素进行了研究和开发，旨在研究过程中优化管理系统，提高电池性能。
2、系统的硬件设计
图1 系统电路图
电压采样、电流采样和温度采样测量锂电池的电压、电流和温度，并通过ADC转换为数字信号输出给单片机， 经过内部处理后用LCD显示。同时，AT89S52通过采样到的三个信号值进行电量算法的计算和显示。另外对锂电池的电压、电流和温度实施监控。
2.1 单片机及外围电路
为了充分利用单片机的I/O端口和外设并降低设计成本，系统选用了AT89S52。该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，完全满足系统需要。
AT89S52通过控制端口设定外设工作。单片机的P0并行端口接收ADC转换后的电压、电流的数字信号，P1端口用来LCD显示，P2.5端口接收DS18B20检测到的串行温度信号，另外通过其他端口进行ADC转换和LCD显示的控制。
2.2 电压、电流检测电路
对电压的监测采用传统的测量方法，测量电阻上的电压或者是经限流电阻直接输入到ADC转换模块。然后在ADC转换结束后，将电压的数字信号输出给AT89S52。对实时的精确的电量跟踪有较小的误差。相对于锂电池充放电的长周期，其误差可忽略不计。后面算法的选择上，如何适当的规避算法误差也是一个重要的问题。
对电流的测量，采用电流检测电阻，方法基本与电压检测相同。电流的测量范围很广，从几毫安到几十安。测量的精度要求不同，电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要。电池电流测量电路，采用一个0.2m 的精密电阻把流过的电流转换成电压再经放大器放大后送入单片机ADC采样接口。
2.3温度的测定
作为储电工具的锂电池总是不可避免的会遇到发热的问题。電池的温度对电池的容量，电压，内阻，充放电效率，使用寿命，安全性等方面都有较大的影响。所以我们对于电池的温度的检测是很有必要的。也可以通过对温度的控制来判断充放电是否完全。
本项目中我们使用的的是DS18B20芯片进行温度测量。DS18B20数字温度传感器具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，精度高且在一根通信线。
温度寄存器格式（从高位到低位）：
LS Byte：23，22，21，20，2-1，2-2，2-3，2-4；
MS Byte：S，S，S，S，S，26，25，24。
温度的计算方法如下：SSSSS=11111B 温度值，T=[（MSB and 7）×256+LSB]×0.0625 ℃；
SSSSS=00000B 温度值，T=[（256-MSB）×256+LSB]×0.0625 ℃。
2.4 LCD显示模块
一般在单片机系统中采用液晶屏显示数据或者图像。由于系统参量个数的要求，所以要选择能同时显示4行的液晶屏。
LM041L是专点阵型液晶显示模块，可显示4行，每行16个字符。提供了丰富的指令设置：清显示；光标回原点；显示开/关；光标开/关；显示字符闪烁；光标移位；显示移位等。LM041L液晶屏以上特点完全满足系统现实要求。LM041L液晶显示的初始化流程为：
使能端E置0；写入显示格式命令；开启显示；清屏；写入输入格式命令。
3 软件设计
在系统设计中采用了AT89S52做控制核心，所以软件设计非常重要。软件设计采用模块化设计思路，功能模块包括初始化及测控主程序、参数测量模块、电量计算模块、电池保护模块等。其软件设计流程为：初始化；采集电压、电流和温度；精确计算锂电池电量；数据测控保护；储存并LCD显示数据[3]。
3.1 电量软件算法的实现
由上文分析可知：电池电量主要与电压、电流和温度等相关，但不是线性相关，因此找出它们的关系尤为重要。根据对电池电量特性的分析和电压检测电量法以及库伦法。基于电池特性建立电池电量计算模型【2】如下：
电池电量= （当前修正电量 电流积分容量）/学习得到的总容量
当前修正电量由电压测量法测得，并以温度参量修正；电流积分容量采用库伦法，在锂电池工作状态对电流进行积分；学习得到的总容量由长时间的库伦法所得。
3.2 电量软件算法的实验数据
实验数据（电压（V），电量（%））如下所示： 室温：20 oC
（4.19，100）、（4.06，90）、（3.97，80）、（3.91，70）、（3.85，60）、（3.79，50）、（3.76，40）、（3.70，20）、（3.16，0）。
根据实验测量数据做出的SOC曲线符合一般电池放电特性，且与实际电量值基本相符。
4 结束语
本文提出的电量测量算法将库伦法和电压法相结合并带温度校正，这种方法可以实现较为精确的SOC测量。电池进入充放电状态时，则转而使用库伦法。当电池电压下降较大时，要考虑OVC曲线从而达到学习完全放电时的电量，同时进行电池保护。基于本文提出的电池电量汁算方法，实现了电量的精确测量。
参考文献：
[1]李宝成，方英民，刘东涛.电池管理系统（BMS）的设计理念[R]. 北京：第九届电源产业发展高峰论坛，2009.
[2]李申飞，易菊兰，琚小明.电池电量精确测量方法的研究与实现[R].华东师范大学软件学院，上海；新余高等专科学校，江.
[3]张金顶，王太宏，龙泽，雷晶晶，李进.基于MSP430单片机的1 2节锂电池管理系统[R]. 湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南.