CN105071453A - 一种电池管理系统 - Google Patents

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CN105071453A CN201510426054.9A CN201510426054A CN105071453A CN 105071453 A CN105071453 A CN 105071453A CN 201510426054 A CN201510426054 A CN 201510426054A CN 105071453 A CN105071453 A CN 105071453A
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马新攀
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Abstract

电池管理系统监控电池的工作状态:电池的电压、电流和温度,计算电池组的荷电状态SOC,管理电池的工作情况,避免出现过放电、过充、过热,对出现的故障应能及时报警,以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。

Description

一种电池管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种对供配电系统中的电池进行管理的技术领域,具体的来说,是一 种电池管理系统。
背景技术
[0002] 直流系统是发电厂、变电站的重要配套系统,电池作为其关键组成部分,是在电网 发生故障或无交流电的情况下使用的。电池组发生故障后,如果人工维护,由于电池数量众 多,情况各异,维护工作量大,许多因素无法判断,将直接影响故障处理的准确和及时。因 此,该系统一般都是设计成可以对电池组基本参数(单个电池电压、充放电电流、工作温 度、总电压)进行实时在线监测与报警,对电池组剩余电荷量的估计、早期故障诊断。
[0003] 同时,在实际应用中,这些电池往往是多个串联的,这样在充放电时会发生不均衡 现象,导致某些电池容量损失,寿命较短。当一组电池中的某个单体或者几个单体损坏,电 池应用客户往往无法判断是哪个电池单体发生故障,因此只能一整组电池更换,从而引起 大量的浪费。因此,电池串联组中每个单体电池好坏的判断也是很必要的。同时,由于该类 电池的特点,需要对其进行管理。
发明内容
[0004] 基于现有技术的不足,本发明提供一种电池管理系统,电池管理系统最基本的作 用是监控电池的工作状态:电池的电压、电流和温度,计算电池组的荷电状态S0C,管理电 池的工作情况,避免出现过放电、过充、过热,对出现的故障应能及时报警,以便最大限度地 利用电池的存储能力和循环寿命。为了实现这些任务,本发明对各个功能模块进行了划分, 形成各智能测量与控制节点,基于中央控制单元进行控制管理,同时为了便于以后对电池 模型的研究,本发明连接PC机端CAN通讯接口,实现了PC对BMS的快速访问,以便用PC强 大的数据处理功能来处理所采集到的数据。
[0005] 硬件的设计必须要实现对电池组的合理管理,首先必须保证采集数据的准确性; 其次是可靠稳定的系统通信;最后非常重要的是抗干扰性。
[0006] 在具体实现过程中,根据设计要求决定需要采集电池组的数据类型;根据采集量 以及精度要求决定前向通道的设计;根据抗干扰性要求设计合理的通讯接口电路。
[0007] 电池组管理系统的硬件电路为管理软件提供了工作平台,硬件的主要功能与基本 特点如下: (1) 设计有掉电保护RAM,用于存储故障诊断结果、自学习结果、电池历史使用情况等 参数; (2) 具有BMS的自学习策略; (3) BMS的EMC(电磁兼容)能力强; (4) 实现BMS的模块化设计,特别是可靠的独立的CPU板设计,降低开发成本、提高开发 效率; (5) 实现对BMS动态程序下载与程序烧写,具备了动态标定能力; (6) 具有外部ADM控制接口; 电池管理系统的应用场合不同,其功能大小也有差异,具体结构组成是由其具体使用 功能来决定的。
[0008] 管理系统分为硬件电路和软件系统两部分,其中硬件部分一般是按功能分成充电 机主电路、放电机主电路、充放电机主电路的控制电路及以CPU单元构成的监控回路。软件 系统因管理目的的不同而不同,但都包括充放电工况的自动转换、对电池单节电压的检测、 对充电电流进行控制等这些基本功能。电池监控管理系统都是通过检测回路或检测元件检 测标称电池工作状态的电压、电流、温度等参数,提供给系统软件进行分析判断,再下达命 令给控制电路部分来调整电池的工作状态。
[0009] a、状态参量检测电路:包括电压、电流、温度等测量电路。
[0010] b、控制板电路:控制板上设置了单片机,主要完成采集数据的处理和有关接口的 管理。
[0011] C、监控软件系统:监控软件系统由参数预置、数据采集及实时显示、数据处理等 功能组成,包括充电控制、放电控制、故障诊断及排除、保护及报警、历史记录查询等功能模 块。
[0012] 状态参量检测电路主要任务是完成对电池组单体电压、工作电流及工作温度的采 集,对于采集到的数据进行相应运算。
[0013] 电池组的采样包括电压采样、电流采样和温度采样。
[0014] 电池组通常包含有多个电池单元,必须正确监控电池组工作数据才能提高电池组 能量使用效率,延长电池组寿命并确保使用安全性。
[0015] 电池组数据采集通常包括采集电池端电压、电流和温度等信息,以此作为整个系 统工作的依据。电池电压数据采集是整个电路的关键,因此电压采集精度要求较高,通常电 池组单体电池电压差异大于50mV就认为电池组内部能量不一致,所以电压检测精度一般 要求在5mV之内。由于电池组工作环境比较复杂、工作温度范围较宽,因此电池电压检测电 路应该具有较小的温漂,以保证测量精度不受外部环境温度的影响同时电池组内部单体电 池串联连接和电池内部特性复杂,使得对单体电池电压测量难度大大提高,测量电路对应 于同一个电压参考点,用精密电阻进行匹配分压来降低采样点的电压。
[0016] 通过电阻分压将电池组的单体电压转换成共地电压信号,假设对于每一组电压测 量的相对误差为;S,实际真实值为讓:,测量值为I,,单体电池电压为,则通过计算可以 得到测量的单体电压值为 v;-tr, -y^ -(IL-u%fx(yst〇",) 对电池组充放电电流的测量为系统能量估算、能量均衡和充放电控制等提供数据,电 流采样通常有使用采样电阻,电池组充电时,充电电流为I。通过功率电阻R1产生压降 VI,经过正向放大器到ADC采样端口。电池组放电时,放电电流|以_,通过功率电阻产生压降 为负值,经过反向放大器到ADC采样端口。
[0017] 电池组的安全性问题主要是由于热失控引起,在高温状态下电池可能发生爆炸, 因此为了保证电池组工作的安全性,对电池组中每一节单体电池温度控制就显得非常关 键。
[0018] 数字温度传感器内部包含温度传感器,A/D转换器,信号处理器,多路选择器, 中央控制器,随机存储器和只读存储器。具有测量精度高,转换时间快,易于在线编程,可多 点并联测量,方便测量和安装等优点。
[0019] 电池的计算参量包括S0C和内阻、实际容量计算。
[0020] S0C是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量 的比值
Figure CN105071453AD00061
剩余容量=额定容量-净放电量-自放电量-温度补偿容量。
[0021] 若电池长期处于过充模式则正极板会发生腐蚀现象,在此同时电解液降低及浓度 增加,此现象加速了极板的腐蚀速度。假如电池处于反复充电和放电过程中,由于收缩和膨 胀动作不断发生,此结果造成活动物质从极板中分离,最后电池容量会降低。所以电池容量 和内阻有着密不可分的关系。
[0022] 电池无负载时,电池的端电压为E,外部连接的电阻负载为RL,负载电流为I,负载 电压为E2,电池内阻为R0,在负载电阻已知的情况下,可根据电池电压与负载电压的测量。 估算电池的内阻。首先,将供电开关打开,利用高输入阻抗的电压计,测得开路电压为E,再 将供电开关闭合,测得负载电压为_:,而电流计测得的负载电流为I,则由下式可求得内部 电阻值。
Figure CN105071453AD00062
[0023] 由于__驅:,则可得
Figure CN105071453AD00063
电池容量与内电阻的关系如下:
Figure CN105071453AD00064
上式中C表示待估计的电容量,E为端电压,R0为内电阻,const为常数,:Kp,Y, 为系数,由此可见,端电压及内阻均影响的电容量。
[0024] 整个电池保护电路由多个模块组成,主要分为:电源特征采样模块,偏置电压发生 模块,休眠控制模块,时延模块,基准电压发生模块,过压和欠压检测模块,过流和短路检测 模块,逻辑控制模块,电平转换模块,驱动模块,以及辅助模块。这几个模块功能包括: 电源特征采样模块主要用来生成用于判断各节电池过压、欠压等错误状态的特征电 压,特征电压将与基准电压发生模块的输出电压进行比较。
[0025] 偏置电压发生模块主要用于产生一系列偏置电压,完成对内部电路,包括比较器, 放大器等电路的偏置设置。
[0026] 休眠控制模块完成芯片进入休眠模式与重新启动的控制,从而尽可能的节省能 耗。
[0027] 时延模块。由于逻辑控制电路在对电池的过压、欠压、过流和短路错误进行逻辑分 析的时候需要用到延迟,因此,时延模块就用来生成这些不同的延迟。这个模块主要由一个 振荡器电路和延时控制电路组成。
[0028]基准电压发生模块用于生成进行过压、过压回滞、欠压、过流和短路判断时各节电 池所需要的基准电压,这些基准电压将与电源特征采样模块输出的特征电压,和电流采样 电压进行比较,其结果作为判断电池工作状态的依据。
[0029]过压和欠压检测模块主要完成特征电压与基准电压的比较。
[0030]过流和短路检测模块主要完成过流和短路采样电压(电池中流过的电流在外接 小电阻上产生的压降)与基准电压的比较。
[0031]逻辑控制模块要完成对检测模块输出结果的逻辑分析,以确定各节电池的工作状 〇
[0032] 电平转换模块主要完成两方面的工作,其一,完成检测模块输出结果的电平转换, 使之适合作为数字电路的输入;其二,完成逻辑控制模块输出结果的电平转换,使之适合作 为驱动模块的输入。
[0033] 驱动模块将根据输入信号来完成控制信号的输出,良好的开启和关断外接 M0SFET〇
[0034]辅助模块包括逆偏电压保护电路和过温保护电路。
[0035]在工作时,基准电压发生模块的输出电压,与电源特征采样模块的输出电压同时 送入到两个检测模块中进行电压的比较,比较的结果经过电平转换模块处理后送入逻辑控 制模块,再经过逻辑判断和延时的处理,得到外接M0SFET需要的控制信号,这个控制信号 由逻辑控制模块送入电平转换模块处理后,再经过驱动模块来执行最后的控制动作。
[0036]逻辑控制模块还控制着休眠控制模块,当电池电压低于电池所允许的最低电压 时,休眠控制模块驱动整个芯片进入休眠模式。休眠控制模块和偏置电压发生模块是在电 池进入休眠状态时仍然工作的模块,他们的功耗决定了电池休眠时的最低功耗。
附图说明
[0037] 图1为电池管理系统的框架结构图。
[0038] 图2为电池管理系统的参数计算模型。
具体实施方式
[0039] -种电池管理系统,电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态:电池的 电压、电流和温度,计算电池组的荷电状态S0C,管理电池的工作情况,避免出现过放电、过 充、过热,对出现的故障应能及时报警,以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。 为了实现这些任务,本发明对各个功能模块进行了划分,形成各智能测量与控制节点,基于 中央控制单元进行控制管理,同时为了便于以后对电池模型的研究,本发明连接PC机端 CAN通讯接口,实现了PC对BMS的快速访问,以便用PC强大的数据处理功能来处理所采集 到的数据。
[0040]硬件的设计必须要实现对电池组的合理管理,首先必须保证采集数据的准确性; 其次是可靠稳定的系统通信;最后非常重要的是抗干扰性。
[0041]在具体实现过程中,根据设计要求决定需要采集电池组的数据类型;根据采集量 以及精度要求决定前向通道的设计;根据抗干扰性要求设计合理的通讯接口电路。
[0042] 电池组管理系统的硬件电路为管理软件提供了工作平台,硬件的主要功能与基本 特点如下: (1) 设计有掉电保护RAM,用于存储故障诊断结果、自学习结果、电池历史使用情况等 参数; (2) 具有BMS的自学习策略; (3) BMS的EMC(电磁兼容)能力强; (4) 实现BMS的模块化设计,特别是可靠的独立的CPU板设计,降低开发成本、提高开发 效率; (5) 实现对BMS动态程序下载与程序烧写,具备了动态标定能力; (6) 具有外部ADM控制接口; 电池管理系统的应用场合不同,其功能大小也有差异,具体结构组成是由其具体使用 功能来决定的。
[0043] 管理系统分为硬件电路和软件系统两部分,其中硬件部分一般是按功能分成充电 机主电路、放电机主电路、充放电机主电路的控制电路及以CPU单元构成的监控回路。软件 系统因管理目的的不同而不同,但都包括充放电工况的自动转换、对电池单节电压的检测、 对充电电流进行控制等这些基本功能。电池监控管理系统都是通过检测回路或检测元件检 测标称电池工作状态的电压、电流、温度等参数,提供给系统软件进行分析判断,再下达命 令给控制电路部分来调整电池的工作状态。
[0044]a、状态参量检测电路:包括电压、电流、温度等测量电路。
[0045]b、控制板电路:控制板上设置了单片机,主要完成采集数据的处理和有关接口的 管理。
[0046]c、监控软件系统:监控软件系统由参数预置、数据采集及实时显示、数据处理等 功能组成,包括充电控制、放电控制、故障诊断及排除、保护及报警、历史记录查询等功能模 块。
[0047] 状态参量检测电路主要任务是完成对电池组单体电压、工作电流及工作温度的采 集,对于采集到的数据进行相应运算。
[0048] 电池组的采样包括电压采样、电流采样和温度采样。
[0049] 电池组通常包含有多个电池单元,必须正确监控电池组工作数据才能提高电池组 能量使用效率,延长电池组寿命并确保使用安全性。
[0050] 电池组数据采集通常包括采集电池端电压、电流和温度等信息,以此作为整个系 统工作的依据。电池电压数据采集是整个电路的关键,因此电压采集精度要求较高,通常电 池组单体电池电压差异大于50mV就认为电池组内部能量不一致,所以电压检测精度一般 要求在5mV之内。由于电池组工作环境比较复杂、工作温度范围较宽,因此电池电压检测电 路应该具有较小的温漂,以保证测量精度不受外部环境温度的影响同时电池组内部单体电 池串联连接和电池内部特性复杂,使得对单体电池电压测量难度大大提高,测量电路对应 于同一个电压参考点,用精密电阻进行匹配分压来降低采样点的电压。
[0051] 通过电阻分压将电池组的单体电压转换成共地电压信号,假设对于每一组电压测 量的相对误差为;,实际真实值为_:,测量值为II夢,单体电池电压为,则通过计算可以 得到测量的单体电压值为 对电池组充放电电流的测量为系统能量估算、能量均衡和充放电控制等提供数据,电 流采样通常有使用采样电阻,电池组充电时,充电电流为。通过功率电阻R1产生压降 VI,经过正向放大器到ADC采样端口。电池组放电时,放电电流__:,通过功率电阻产生压降 为负值,经过反向放大器到ADC采样端口。
[0052] 电池组的安全性问题主要是由于热失控引起,在高温状态下电池可能发生爆炸, 因此为了保证电池组工作的安全性,对电池组中每一节单体电池温度控制就显得非常关 键。
[0053] 数字温度传感器内部包含温度传感器,A / D转换器,信号处理器,多路选择器, 中央控制器,随机存储器和只读存储器。具有测量精度高,转换时间快,易于在线编程,可多 点并联测量,方便测量和安装等优点。
[0054] 电池的计算参量包括S0C和内阻、实际容量计算。
[0055] S0C是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量 的比值
Figure CN105071453AD00091
剩余容量=额定容量-净放电量_自放电量-温度补偿容量。
[0056] 若电池长期处于过充模式则正极板会发生腐蚀现象,在此同时电解液降低及浓度 增加,此现象加速了极板的腐蚀速度。假如电池处于反复充电和放电过程中,由于收缩和膨 胀动作不断发生,此结果造成活动物质从极板中分离,最后电池容量会降低。所以电池容量 和内阻有着密不可分的关系。
[0057] 电池无负载时,电池的端电压为E,外部连接的电阻负载为RL,负载电流为I,负载 电压为E2,电池内阻为R0,在负载电阻已知的情况下,可根据电池电压与负载电压的测量。 估算电池的内阻。首先,将供电开关打开,利用高输入阻抗的电压计,测得开路电压为E,再 将供电开关闭合,测得负载电压为L,而电流计测得的负载电流为I,则由下式可求得内部 电阻值。
Figure CN105071453AD00092
[0058] 由于霧,则可得
Figure CN105071453AD00093
电池容量与内电阻的关系如下: O Cl E 4、p十Y、j 5 vli am玆 上式中C表示待估计的电容量,E为端电压,R0为内电阻,const为常数,知|:;,::物羅 为系数,由此可见,端电压及内阻均影响的电容量。
[0059] 整个电池保护电路由多个模块组成,主要分为:电源特征采样模块,偏置电压发生 模块,休眠控制模块,时延模块,基准电压发生模块,过压和欠压检测模块,过流和短路检测 模块,逻辑控制模块,电平转换模块,驱动模块,以及辅助模块。这几个模块功能包括: 电源特征采样模块主要用来生成用于判断各节电池过压、欠压等错误状态的特征电 压,特征电压将与基准电压发生模块的输出电压进行比较。
[0060] 偏置电压发生模块主要用于产生一系列偏置电压,完成对内部电路,包括比较器, 放大器等电路的偏置设置。
[0061] 休眠控制模块完成芯片进入休眠模式与重新启动的控制,从而尽可能的节省能 耗。
[0062] 时延模块。由于逻辑控制电路在对电池的过压、欠压、过流和短路错误进行逻辑分 析的时候需要用到延迟,因此,时延模块就用来生成这些不同的延迟。这个模块主要由一个 振荡器电路和延时控制电路组成。
[0063] 基准电压发生模块用于生成进行过压、过压回滞、欠压、过流和短路判断时各节电 池所需要的基准电压,这些基准电压将与电源特征采样模块输出的特征电压,和电流采样 电压进行比较,其结果作为判断电池工作状态的依据。
[0064] 过压和欠压检测模块主要完成特征电压与基准电压的比较。
[0065] 过流和短路检测模块主要完成过流和短路采样电压(电池中流过的电流在外接 小电阻上产生的压降)与基准电压的比较。
[0066] 逻辑控制模块要完成对检测模块输出结果的逻辑分析,以确定各节电池的工作状 〇
[0067] 电平转换模块主要完成两方面的工作,其一,完成检测模块输出结果的电平转换, 使之适合作为数字电路的输入;其二,完成逻辑控制模块输出结果的电平转换,使之适合作 为驱动模块的输入。
[0068] 驱动模块将根据输入信号来完成控制信号的输出,良好的开启和关断外接 M0SFET〇
[0069] 辅助模块包括逆偏电压保护电路和过温保护电路。
[0070] 在工作时,基准电压发生模块的输出电压,与电源特征采样模块的输出电压同时 送入到两个检测模块中进行电压的比较,比较的结果经过电平转换模块处理后送入逻辑控 制模块,再经过逻辑判断和延时的处理,得到外接M0SFET需要的控制信号,这个控制信号 由逻辑控制模块送入电平转换模块处理后,再经过驱动模块来执行最后的控制动作。
[0071] 逻辑控制模块还控制着休眠控制模块,当电池电压低于电池所允许的最低电压 时,休眠控制模块驱动整个芯片进入休眠模式。休眠控制模块和偏置电压发生模块是在电 池进入休眠状态时仍然工作的模块,他们的功耗决定了电池休眠时的最低功耗。
[0072] 以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明,显然,本领域的技术人员可以 对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修 改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和 变型在内。

Claims (6)

1. 一种电池管理系统,其特征在于,电池管理系统包括CPU、电池温度、电压、电流采样 单元、电池保护单元、模块电压采集单元以及电子开关单元,电池管理系统监控电池的工作 状态:电池的电压、电流和温度,计算电池组的荷电状态SOC,管理电池的工作情况,避免出 现过放电、过充、过热,对出现的故障应能及时报警,电池管理系统还包括连接PC机端CAN 通讯接口。
2. 如权利要求1所述的电池管理系统,其特征在于,电池管理系统的电池电压信号采 集方式为通过电阻分压将电池组的单体电压转换成共地电压信号,假设对于每一组电压测 量的相对误差为I,实际真实值为|^,测量值为I#,单体电池电压为_^,则通过计算得到 测量的单体电压值为
Figure CN105071453AC00021
3. 如权利要求2所述的电池管理系统,其特征在于,电池系统的电流信号采集方式为 使用采样电阻,电池组充电时,充电电流为,通过功率电阻Rl产生压降VI,经过正向放 大器到ADC采样端口,电池组放电时,放电电流1.一:,通过功率电阻产生压降为负值,经过反 向放大器到ADC采样端口。
4. 如权利要求3所述的电池管理系统,其特征在于,电池管理系统的电池温度信号采 集使用数字温度传感器,数字温度传感器内部包含温度传感器,A / D转换器,信号处理器, 多路选择器,中央控制器,随机存储器和只读存储器。
5. 如权利要求4所述的电池管理系统,其特征在于,电池的计算参量包括SOC和内阻、 实际容量计算,SOC是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态 的容量的比值
Figure CN105071453AC00022
剩余容量=额定容量-净放电量-自放电量-温度补偿容量,电池无负载时,电池的端 电压为E,外部连接的电阻负载为RL,负载电流为I,负载电压为E2,电池内阻为R0,在负载 电阻已知的情况下,根据电池电压与负载电压的测量,估算电池的内阻,首先,将供电开关 打开,利用高输入阻抗的电压计,测得开路电压为E,再将供电开关闭合,测得负载电压为 ,而电流计测得的负载电流为I,则由下式求得内部电阻值, 由于鱗_£:,则可得
Figure CN105071453AC00023
电池 容量与内电阻的关系如下:
Figure CN105071453AC00024
上式中C表示待估计的电容量,E为端电压,RO为内电阻,const为常数,α, β, Yi δ 为系数。
6. 如权利要求5所述的电池管理系统,其特征在于,电池保护电路包括:电源特征采样 模块,偏置电压发生模块,休眠控制模块,时延模块,基准电压发生模块,过压和欠压检测模 块,过流和短路检测模块,逻辑控制模块,电平转换模块,驱动模块,以及辅助模块,电源特 征采样模块来生成用于判断各节电池过压、欠压错误状态的特征电压,特征电压将与基准 电压发生模块的输出电压进行比较,偏置电压发生模块用于产生一系列偏置电压,完成对 内部电路的偏置设置,休眠控制模块完成芯片进入休眠模式与重新启动的控制,时延模块 生成逻辑控制电路在对电池的过压、欠压、过流和短路错误进行逻辑分析的时候的延迟,由 振荡器电路和延时控制电路组成,基准电压发生模块生成进行过压、过压回滞、欠压、过流 和短路判断时各节电池所需要的基准电压,这些基准电压将与电源特征采样模块输出的特 征电压,和电流采样电压进行比较,其结果作为判断电池工作状态的依据,过压和欠压检测 模块完成特征电压与基准电压的比较,过流和短路检测模块完成过流和短路采样电压与基 准电压的比较,逻辑控制模块完成对检测模块输出结果的逻辑分析,以确定各节电池的工 作状态,电平转换模块完成检测模块输出结果的电平转换,使之适合作为数字电路的输入; 同时,完成逻辑控制模块输出结果的电平转换,使之适合作为驱动模块的输入,驱动模块将 根据输入信号来完成控制信号的输出,开启和关断外接MOSFET,辅助模块包括逆偏电压保 护电路和过温保护电路,在工作时,基准电压发生模块的输出电压,与电源特征采样模块的 输出电压同时送入到两个检测模块中进行电压的比较,比较的结果经过电平转换模块处理 后送入逻辑控制模块,再经过逻辑判断和延时的处理,得到外接MOSFET需要的控制信号, 这个控制信号由逻辑控制模块送入电平转换模块处理后,再经过驱动模块来执行最后的控 制动作,逻辑控制模块还控制着休眠控制模块,当电池电压低于电池所允许的最低电压时, 休眠控制模块驱动整个芯片进入休眠模式。
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