第一章  绪 论

电池能源控制技术是一门跨学科的技术，它的研究内容包括化工技术、材料技术、电磁技术、能源技术、半导体应用技术、微器件通信技术等。近年随着各门学科的飞速发展，化学电池经历了从镍铬、镍氢电池到锂电池的转变，控制部分也经历了由单一的保护向计算、管理、通信、控制、保护等综合功能的发展，综合技术有了突飞猛进的发展。电源系统已可以被视为可控制的系统外设来对待，从而也极大的拓展了其的应用范围，现在已广泛应用笔记本电脑、便携式DVD、游戏机、照相机和电动自行车、汽车等多种领域。

智能电池（Smart Battery）是化学电池及其控制系统的合称。化学电池进行能量的存储和供给，控制部分完成智能化计算和控制。整体构成完整的便携式电力供给系统。是电池能源控制技术中发展最快的技术领域，首先成为笔记本电脑的标准配置，然后不断拓展到其它便携电源应用领域。

§1.1 Smart Battery 技术发展简介

  早在十九世纪末，开口型镍镉碱性电池已经发明出来，到1947年密封型镍镉电池研制成功，到70年代中期，美国研制成功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池。到90年代，可充放型锂离子电池终于研制成功。

早期的充电电池是单独直接作为电源系统使用的，其必然存在一定的危险性，如过压、过放、过流及温度超限等问题，会对电池造成很大的损坏，更有甚者会发生爆炸。这必然提出了对电池的管理和保护的要求。很多的公司和组织在此方面投入了非常大的人力和物力，开发出多种技术，提出了许多不同的方案，阶段性的解决了部分问题，主要的方案有：

(1) 电压保护方案 该方案为硬件防护型。早期使用分离的器件实现对电池电压的保护，通过电路实现对充电最高电压和放电最低电压的防护控制，解决了过压和过放的问题。后来使用简单集成电路实现类似功能。该种放案大大提高了电池使用的安全性。

（2）电压、温度保护方案 该方案为硬件防护型。使用分离器件或简单的集成电路实现电压和温度的保护，基本满足了电池安全性的需要。

 （3）简单MCU控制方案  使用简单的MCU控制电路的保护并完成简单的管理管理。该方案较前两种方案有更高的可靠性和提高了电池的使用寿命。

由于受材料技术、半导体技术和集成电路技术的局限，这些方案电路结构复杂、功能简单、可靠性低。

在1995年，Intel和Duracell最早提出了智能电池系统（Smart Battery System）的概念，他们同后来加入的IBM，Sony，Sharp等公司共同成立了 Smart Battery System Implementers Forum （SBS-IF），详细制定了Smart Battery System的构成、各部分的功能、参数的格式定义、通信方式和各种协议。从此开始了真正的智能电池系统应用。其首先被应用于笔记本电脑上。

许多的电源、半导体、软件公司不断加入进来，开始了大规模的技术研究和应用开发，取得了非常大的进展。但由于缺乏相应的半导体和笔记本BIOS的支持，一致没有获得很好的发展。直到1998年，微软的Windows 98 （Win98操作系统支持OnNow电源管理功能和ACPI接口）操作系统的出现，其才得以飞速发展，并逐渐成为真正的工业标准。

智能电池系统包括几个主要的部分：

System HOST

System Manager

Smart Charger

Smart Battery

应用者论坛最初制定的协议也是较低的版本，在不断应用和出现新的要求的基础上，这些协议也不断被升级，直至形成了今天被许多领域广泛采用的行业标准，成为各个智能电池应用设备间的标准接口。

智能电池（Smart Battery）是智能电池系统的一个主要组成部分，可以看作是系统的一个标准外设。其在系统标准提出后，便有许多的半导体厂家投入研究，并推出了相应的管理芯片。智能电池的电池部分，最造使用的是镍铬和镍氢电池，最近已主要使用锂离子电池和锂聚合物电池。

§1.2 Smart Battery 技术现状

从SBS－IF提出Smart Battery的标准后，非常多的公司加入到系统的研发和应用中来，也开发出了多种方案，广泛应用于多种便携设备中。

提出较早和较成熟的是TI的BQ方案，它使用一颗MCU和一颗专用的测量和保护芯片BQ29311实现系统的功能，较好的实现了对电池的测量、计算、保护等功能。随着协议的升级，TI又推出了系列的方案，如BQ2060，2083，2085等。目前，TI仍然是Smart Battery应用的最大的供应商，尤其在笔记本电脑方面占据了多半的份额。但是，由于其推出的较早，虽然经过系列升级，仍然存在电路结构复杂，灵活性差，成本高，部分功能不适等缺点。

另外，Microchip也推出了P301方案，Poweready公司推出了PowerSmart方案，日本三菱推出M61040方案，也都推向了市场，但相对应用较少。

最近美国的Intersil公司推出了功能强大的X3100芯片，其集测量、保护、控制于一体，通过MCU的控制，可以方便而高效的实现Smart Battery的管理功能。本文既是介绍使用GC1318控制X3100实现低成本、高效率、高可靠性的智能电池应用。

§1.3 本系统的特点

本系统使用最新的高集成度的x3100和功能强大的Mcu－GC1318，符合SBS－IF协议的最新版本，具有显著的特点。

(1) 对电压和电流的测量是通过MCU控制x3100实现的，配合x3100的内部增益，电压可以大10bit的精度，电流可以达到16bit的精度，并可以自动补偿电路偏置和电路参数的影响。

(2) x3100本身具有硬件的过压、欠压、过流、短路的保护和释放机制。同时软件也具有同样的多种保护，使本方案具有软件和硬件的双重保护机制，提供完善的保护功能。

(3) x3100和MCU都具有EEprom用来存储设置和过程参数，并实现两个芯片内的双备份存储，确保数据的可靠保护。

(4) 平衡电路内部控制，器件在外部，可以灵活的选择平衡电流的大小。本方案具有一个突出的特点是可以多节电池同时实现平衡。

(5) 支持3串、4串的多种连接方式，使用统一软件，自动识别电池串联数。

(6) MCU具有bootloader区，可以实现应用程序的在线下载，方便实现程序的更新和维护。

(7) 支持SBS-IF的最新版本，如SBdata1.1，SMBus2.0.

(8) 可以方便的实现软件的更改，支持具有特殊通信格式或密码认定的应用。