便攜式儀表鋰電池充電管理和電量檢測的實現(xiàn)*

曹志鵬，王 健，

1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018；

2.聚光科技(杭州)有限公司，杭州 310052

目前，便攜式儀表的應(yīng)用日益廣泛。由于其便攜性的特點，便攜式儀表必須由電池來進(jìn)行供電。供電電池的特性對儀表的正常工作有很大影響。在實際應(yīng)用中，要求供電電池能夠滿足儀表工作的功率需求，并且要求維持儀表正常工作的時間盡量長。供電電池作為便攜式儀表的必備部分，充電管理是鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。實現(xiàn)鋰離子電池的充電管理，可提升電池組的安全性，效率，壽命，從而提升儀表的整體性能。此外，大多數(shù)儀表應(yīng)用場合需要顯示電池組的剩余電量信息，以供使用者明確電池組的工作狀態(tài)，及時對電池組進(jìn)行充電。本文針對某一種便攜式儀表的需求，設(shè)計了鋰離子電池組的充電管理模塊，提出了滿足精度要求的電量檢測方案。最后，通過實驗對實現(xiàn)方案進(jìn)行了驗證。

1 鋰離子電池

目前，便攜式儀表的主流供電電池有鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰離子電池和鋰聚合物電池等。與其它主流可充電電池相比，鋰離子電池具有高單體電池電壓、高比能量、高功率密度、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)、低自放電率等優(yōu)點[1]?；阡囯x子電池的優(yōu)點考慮，在本次便攜式儀表的應(yīng)用中，選擇鋰離子電池為儀表供電。

在本次便攜式儀表應(yīng)用中，儀表正常工作時要求供電電壓為12 V，平均負(fù)載電流為1.1 A。最少工作時間為5 h。由于鋰離子單體電池最高電壓為4.2 V，一般工作電壓范圍為3.0 ～4.2 V， 2節(jié)單體電池串聯(lián)后的電壓范圍為6.0 ～8.4 V。儀表按照負(fù)載電流1.1 A工作5 h，要求的供電電池的放電電量至少為9.4 Ah(安時)。為了滿足儀表正常工作的時間要求，本次儀表應(yīng)用中選用單節(jié)容量2.2 Ah， 5節(jié)單體電池并聯(lián)的方式來為儀表供電。單體電池標(biāo)稱電壓為3.6 V，容量為2.2 Ah，電池組為2節(jié)串聯(lián)5節(jié)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，電池組總?cè)萘繛?1 Ah。電池組的端電壓經(jīng)過BOOST電路升壓到12 V為儀表進(jìn)行供電。

根據(jù)鋰離子電池的化學(xué)特性，在使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)。但是對鋰離子電池的過度充電將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，很可能發(fā)生漏液、起火、爆炸等危險[2-3]。供電電池存在的一切安全隱患都將對儀表工作產(chǎn)生很大影響，降低儀表的安全性和穩(wěn)定性，因此非常有必要對鋰離子電池組進(jìn)行充電管理。此外，本次應(yīng)用中需要對電池組的剩余電量進(jìn)行檢測，并在儀表顯示屏上進(jìn)行顯示，以便使用者掌握電池組的剩余電量。本次便攜式儀表應(yīng)用中，剩余電量檢測精度要求為1.5%。

2 儀表中鋰離子電池的充電管理

根據(jù)鋰離子電池的特性，對電池組進(jìn)行充電必須是先恒流后恒壓的兩段式充電方式[4]。在對電池組進(jìn)行充電的起始階段，先以恒定電流對電池組進(jìn)行充電，電池組的端電壓逐漸上升。當(dāng)電池組端電壓上升到一定值后，再轉(zhuǎn)為以恒定電壓對電池組進(jìn)行充電。在恒壓充電階段， 充電電流逐漸減小。當(dāng)充電電流減小為C/40至C/30時，就認(rèn)為電池已經(jīng)充電完畢[5]。

2.1 充電管理模塊

在本次便攜式儀表的應(yīng)用中，選擇BQ24702芯片來實現(xiàn)鋰離子電池組的充電管理和主備電的切換。 BQ24702芯片是美國TI公司生產(chǎn)的鋰離子電池充電管理芯片。該芯片的主要功能有：采用動態(tài)能量管理來盡量減少充電時間、可以實現(xiàn)0.4%的充電電壓精度和4%的充電電流精度、帶有300 kHz的PWM控制器實現(xiàn)充電控制、過放指示可以保護(hù)電池過度放電等[6]。

鋰離子電池組充電管理原理示意圖如圖1所示。

圖1中Vadp為交流適配器輸入的12 V電源，它直接為 BQ24702來供電， Vbat為電池組的端電壓。VREF為內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓， R7和R8分壓來設(shè)置SRSET的端口電壓，以此來設(shè)置電池組的恒流充電電流。R1為檢流電阻，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中要求，取值為25 mΩ。R1上的電壓VR1作為差分電壓輸入到SRP和SRN口。Vbat為鋰離子電池組的電壓。 Vbat經(jīng)分壓后輸入到BATP端口，用于檢測電池組電壓。對于本次選定的鋰離子電池組，設(shè)定開始的恒流充電電流為2.5 A，當(dāng)電池組端電壓上升到8.4 V后，轉(zhuǎn)為恒壓充電方式。

圖1 鋰離子電池組充電管理原理示意圖

在恒流充電階段， BQ24702檢測檢流電阻R1上的電壓VR1，當(dāng)VR1小于62.5 mV(2.5 A×25 mΩ)時， PWM控制 BUCK電路的輸出電壓上升， 使得VR1上升到62.5 mV。隨著充電的進(jìn)行，電池組端電壓逐漸上升， BUCK電路的輸出電壓也相應(yīng)的逐漸上升，兩者的壓差VR1始終保持在恒定值62.5 mV，保證以2.5 A的恒定電流為鋰離子電池組進(jìn)行充電。在該充電階段， BQ24702 通過BATP端口來檢測電池組的端電壓。當(dāng)電池組的端電壓上升到8.4 V的恒壓充電門限值時，模塊對電池組的充電方式從恒流充電轉(zhuǎn)化為恒壓充電。

在恒壓充電階段，電池組端電壓保持不變，充電電流逐漸減小， VR1也逐漸減小。在此階段， PWM控制BUCK電路的輸出電壓也逐漸減小，但始終使電池組端電壓維持在設(shè)定值8.4 V。當(dāng)充電電流減小為C/40至C/30時，在本次儀表應(yīng)用中即充電電流減小為275 mA至367 mA時就認(rèn)為電池已經(jīng)充滿電?？梢酝ㄟ^檢測R1的電壓VR1來判斷電池組是否已充電完畢。

2.2 升壓模塊和主備電切換的實現(xiàn)

在本次應(yīng)用中， 采用 LTC1871 芯片來構(gòu)成BOOST升壓電路來將電池組端電壓升壓到儀表要求的供電電壓12 V。LTC1871是美國LT公司生產(chǎn)的電流模式PWM控制器。該芯片的特點有：高效率，寬輸入電壓范圍，電流模式控制提供了優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)，具有100 mV遲滯的RUN引腳門限，高的最大占空比， 1%精度的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)等[7]。

圖2為將電池組電壓升壓為系統(tǒng)供電電壓12 V的原理示意圖。

圖2 LTC1871升壓產(chǎn)生12 V原理示意圖

在圖2中，采用LTC1871芯片、電感、電容和二極管構(gòu)成BOOST升壓電路。其中， LTC1871由電池組供電。只有當(dāng)其RUN引腳電壓高于1.248 V時，該芯片才可正常工作。當(dāng)沒有接入適配器，即Vadp為0時，電池組電壓Vbat經(jīng)過分壓使得RUN引腳電壓大于1.248 V， LTC1871 正常工作，將Vbat升壓得到Vbat-12 V。當(dāng)接入適配器，即Vadp為12 V時，晶體管Q1導(dǎo)通， 使得 RUN引腳電壓低于1.248 V，LTC1871停止工作。此時， Vbat-12 V為0。

主備電供電切換的思路為：當(dāng)接入適配器時，芯片LTC1871不工作， Vbat-12V為0，由適配器電源Vadp為充電管理芯片BQ24702和儀表系統(tǒng)供電， Vadp作為儀表的供電電源；當(dāng)沒有接入適配器時，芯片LTC1871工作， Vbat-12 V為12 V，且作為儀表的12 V供電電源，即由電池組為儀表系統(tǒng)進(jìn)行供電。

3 剩余電量檢測

由于儀表所要求的剩余電量檢測精度不高，并且負(fù)載電流變化小，為了盡量減小儀表的體積和重量，突出儀表的便攜性，采用簡單、有效的剩余電量檢測方法最符合便攜式儀表的應(yīng)用需求。

在本次應(yīng)用中，根據(jù)鋰離子電池組的端電壓與電池剩余電量的關(guān)系來檢測剩余電量，并通過修正算法來提高剩余電量的檢測精度， 借助儀表中的DSP來實現(xiàn)對電池組剩余電量的檢測和顯示。在充電過程中，用一個進(jìn)度條來顯示充電狀態(tài)，而不檢測電池組的剩余電量。在放電過程中，借助儀表系統(tǒng)中的DSP，根據(jù)算法來實現(xiàn)電池組剩余電量的檢測，并在儀表顯示屏上以百分制實時顯示。

具體的剩余電量檢測思路是：當(dāng)電池組被充滿電后，在DSP中設(shè)定初始剩余電量為100%。隨著電池組放電的進(jìn)行，電池組的端電壓也隨之下降，剩余電量也隨之減小。將電池組的端電壓采樣后輸入到DSP中，根據(jù)算法來計算得出新的剩余電量值。首先測量并繪制原裝全新鋰離子電池組的端電壓與剩余電量的關(guān)系曲線，將該曲線作為測量剩余電量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。為了得到盡可能精確的關(guān)系曲線，本次應(yīng)用中以1.88 A的電流對7.4 V/11 Ah鋰離子電池組進(jìn)行放電，得到的電池組端電壓與剩余電量的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 電池組端電壓與剩余電量的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線

從圖3可知，電池組剛開始放電時，端電壓下降較快，而剩余電量變化很小，端電壓在小范圍內(nèi)近似為線性關(guān)系。在電池組放電曲線的中間階段，電池組端電壓較平穩(wěn)，也可以近似為分段線性關(guān)系。在電池組放電曲線的結(jié)束階段，端電壓下降較快，在小范圍內(nèi)仍然可以近似為分段線性關(guān)系。根據(jù)圖3的放電曲線，考慮剩余電量檢測精度和實現(xiàn)方案的復(fù)雜度，將放電過程中電池組端電壓和剩余電量的關(guān)系分段給出，如表1所示。

表1 電池組端電壓和剩余電量的關(guān)系

將表1中電池組端電壓和剩余電量的關(guān)系數(shù)據(jù)存儲在DSP的FLASH中，作為計算剩余電量的參考數(shù)據(jù)。進(jìn)行剩余電量檢測時，對電池組端電壓進(jìn)行采樣后輸入到DSP內(nèi)部的ADC中。 DSP首先判斷電池組端電壓所處的區(qū)間，確定在圖4中對應(yīng)的電壓分段區(qū)間，采用分段線性插值的方法，求出每次采集的電池組端電壓對應(yīng)的剩余電量值，并在顯示屏上進(jìn)行顯示。

4 實驗驗證與分析

利用制作的充電管理和剩余電量檢測實驗板并配合某種儀表對鋰離子電池組進(jìn)行充電管理和剩余電量檢測精度的實驗驗證。

4.1 充電管理功能驗證

在實驗中，設(shè)定2.5 A恒定電流給電池組進(jìn)行充電，當(dāng)電池組端電壓上升到8.4 V時轉(zhuǎn)為恒壓充電。電池組的充電曲線如圖4所示。

圖4 鋰離子電池組2.5 A充電曲線

從圖4可以得知，電池組的端電壓隨著充電過程的進(jìn)行逐漸上升。當(dāng)電池組端電壓上升到8.38 V時，充電管理模塊將充電方式從恒流充電切換為恒壓充電。恒流充電時間為4.57 h，恒壓充電時間為0.43 h。進(jìn)行恒壓充電的門限電壓8.38 V與設(shè)定值8.4 V有20 mV的誤差，這是由于電壓測量誤差和溫度影響引起的。當(dāng)充電電流減小到300 mA時停止充電，總充電時間為5 h，理論充電時間為4.4 h。充電時間差別是由于鋰離子單體電池的差異和恒壓充電時間等因素造成的。

由以上分析可知，所設(shè)計的充電管理模塊精確實現(xiàn)了對鋰離子電池組的恒流恒壓充電，且充電時間短，效率高。

4.2 剩余電量檢測精度分析

對表1中電池組端電壓進(jìn)行分段線性擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電池組端電壓與剩余電量的擬合關(guān)系曲線

圖5中，擬合曲線是根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分段一次線性擬合后得到。經(jīng)過計算和分析，線性擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的最大誤差為0.03 V，對應(yīng)電壓區(qū)間為7.881 ～8.121 V， 該電壓區(qū)間對應(yīng)的剩余電量為90 % ～99.8 %。計算得知，在電池組端電壓范圍內(nèi)，通過分段線性擬合方案進(jìn)行剩余電量檢測的最大誤差為1.23%。由此可知，剩余電量檢測精度滿足儀表1.5%精度要求。

5 結(jié)論

本文針對便攜式儀表應(yīng)用需求設(shè)計了鋰離子電池組的充電管理模塊。該充電管理模塊可實現(xiàn)適配器供電和電池組供電的自動切換，可以設(shè)定電池組的恒流充電電流，以及從恒流充電方式轉(zhuǎn)為恒壓充電方式的門限電壓。通過實驗驗證表明，該充電管理模塊可實現(xiàn)對電池組的安全、高效率充電，提高了電池組的安全性、可靠性和循環(huán)壽命。

本文提出的剩余電量檢測方案，可以實現(xiàn)對電池組剩余電量的檢測， 1.23 %的剩余電量檢測精度滿足儀表的檢測精度要求。該剩余電量檢測方案在滿足儀表需求的前提下，盡可能采用簡單的電量檢測方案，減小了對儀表資源的占用，減小了儀表的體積和重量，提高了其便攜性。

在剩余電量檢測方案中，沒有考慮電池的自然放電率和電池老化對電量檢測精度產(chǎn)生的負(fù)面影響。在要求更高精度的剩余電量檢測應(yīng)用中，還需要考慮這兩個問題對剩余電量檢測精度的影響。

[ 1] 郭炳焜，徐徽， 王先友，等.鋰離子電池[ M] .長沙：中南大學(xué)出版社， 2002：28.

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[ 7] LTC 1871， Datasheet， Linear technology corporation[R] .2008.