一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷 巍,申 健

(1.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，四川 綿陽(yáng) 621000；2.成都晉林工業(yè)制造有限公司，四川 彭州 611900)

一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷 巍1,申 健2

(1.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，四川 綿陽(yáng) 621000；2.成都晉林工業(yè)制造有限公司，四川 彭州 611900)

本文針對(duì)一種便攜式設(shè)備在使用中需要對(duì)鋰電池電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊，并對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。該模塊已成功應(yīng)用于某項(xiàng)目中，具有接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)難度低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

鋰電池；電量監(jiān)測(cè)；BQ40Z60

隨著電子設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，便攜式設(shè)備由于具有體積小、重量輕、使用攜帶方便等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)合日益廣泛。目前在便攜式設(shè)備中通常采用可充電鋰電池供電，鋰電池相比其他類型電池，無(wú)記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命較長(zhǎng)，具有體較小、重量輕、能量密度大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子設(shè)備中。

在使用便攜式設(shè)備時(shí)，其工作及待機(jī)時(shí)間成為設(shè)備發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素，其中鋰電池的當(dāng)前狀態(tài)是用戶最關(guān)注的問(wèn)題，包括電池電壓、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)間、溫度等諸多信號(hào)，所以電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得非常重要。本文針對(duì)某種類型便攜式設(shè)備的使用需求，設(shè)計(jì)了一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，最后實(shí)現(xiàn)了鋰電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)SMBus總線傳送至計(jì)算機(jī)模塊，該模塊電路簡(jiǎn)單，可靠性高，能應(yīng)用于帶有SMBus接口的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1 模塊電路設(shè)計(jì)

1.1 模塊總體設(shè)計(jì)思路

將鋰電池的正負(fù)極分別接到電量監(jiān)測(cè)模塊的PACK+和PACK-接口上，電量監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)電池管理單元BQ40Z60進(jìn)行充電控制輸出和電量監(jiān)測(cè)，然后通過(guò)SMBus總線將采集的鋰電池當(dāng)前剩余電量等實(shí)時(shí)信息傳送到具有SMBus接口的嵌入式計(jì)算機(jī)等設(shè)備，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)便攜式設(shè)備中鋰電池狀態(tài)的目的，系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接圖

1.2 芯片BQ40Z60說(shuō)明

BQ40Z60是TI公司生產(chǎn)的一款可編程的電池管理單元，其集成有電池充電控制輸出，電量監(jiān)測(cè)和相關(guān)保護(hù)功能，能夠完全自主地操作2～4節(jié)串聯(lián)鋰離子和鋰聚合物電池組。此架構(gòu)在電量監(jiān)測(cè)處理器與電池充電控制器之間實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信，從而在系統(tǒng)負(fù)載瞬變和適配器電流限制期間根據(jù)外部負(fù)載條件和電源路徑來(lái)源管理來(lái)優(yōu)化充電量，還可通過(guò)NFET、電感和感測(cè)電阻等外部元件針對(duì)具體功率傳輸情況來(lái)調(diào)節(jié)充電電流效率。

該器件提供了電池陣列和系統(tǒng)安全功能，包括電池放電過(guò)流、充電短路和放電短路保護(hù)，以及針對(duì)N溝道FET的FET保護(hù)、內(nèi)部AFE看門(mén)狗和電池?cái)嚅_(kāi)連接檢測(cè)，器件可通過(guò)固件提供更多保護(hù)功能，包括過(guò)壓、欠壓和過(guò)熱等。BQ40Z60內(nèi)部集成有用于庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的16位高分辨率積分器，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可通過(guò)16通道多路復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓、電流和溫度的精密測(cè)量。該器件支持兩線制SMBus V2.0接口，工作頻率選項(xiàng)最高可設(shè)定為400 kHz。

1.3 模塊接口電路說(shuō)明

電量監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)芯片BQ40Z60和其他外圍輔助元件來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電控制輸出、電量監(jiān)測(cè)和相關(guān)保護(hù)等功能。本設(shè)計(jì)中使用的鋰電池為4節(jié)串接鋰電池組，電壓輸出范圍為+12 V～+16.8 V，監(jiān)測(cè)模塊的接口電路原理圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 接口電路原理圖

模塊中的芯片BQ294700和其它NFET、電感和感測(cè)電阻等外部元件組成充電過(guò)壓監(jiān)視器和保護(hù)器以及充電電流控制輸出。BQ294700是TI公司生產(chǎn)的一款用于鋰離子電池組系統(tǒng)的過(guò)壓監(jiān)視器和保護(hù)器，可獨(dú)立監(jiān)控每節(jié)電池是否具有過(guò)壓狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到任意電池上存在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，即會(huì)啟動(dòng)外部延遲計(jì)時(shí)器。在延遲定時(shí)器超時(shí)時(shí)，輸出被觸發(fā)進(jìn)入其激活狀態(tài)(根據(jù)配置的不同為高電平或低電平)。外部延遲定時(shí)器的特性還包括CD引腳上開(kāi)路或者短路延遲電容器(這也將在過(guò)壓條件下觸發(fā)輸出驅(qū)動(dòng)器)的功能。本設(shè)計(jì)中電池充電器的電壓工作范圍為+4 V～+25 V。

該電量監(jiān)測(cè)模塊可監(jiān)測(cè)2～4節(jié)串聯(lián)鋰離子和鋰聚合物電池組，還可以通過(guò)芯片BQ40Z60的VC1至VC4管腳的不同連接和VFB管腳對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)電阻R1、R2的阻值的選取來(lái)設(shè)定可監(jiān)測(cè)鋰電池的組數(shù)和電壓范圍。當(dāng)監(jiān)測(cè)的鋰電池的組數(shù)為2時(shí)，電壓范圍為6～8.4 V，此時(shí)R1的阻值應(yīng)選取為332 k，R2的阻值應(yīng)選取為56.13 k；當(dāng)監(jiān)測(cè)的鋰電池的組數(shù)為3時(shí)，電壓范圍為9～12.6 V，此時(shí)R1的阻值應(yīng)選取為332 K，R2的阻值應(yīng)選取為35.63 k；當(dāng)監(jiān)測(cè)的鋰電池的組數(shù)為4時(shí)，電壓范圍為12～16.8 V，此時(shí)R1的阻值應(yīng)選取為332 k，R2的阻值應(yīng)選取為26.1 k。

鋰電池當(dāng)前的詳細(xì)狀態(tài)信息通過(guò)芯片BQ40Z60的SMBus接口發(fā)送到嵌入式計(jì)算機(jī)，完成電量監(jiān)測(cè)等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

由于BQ40Z60是一款功能強(qiáng)大的芯片，能夠完全自主地操作2至4節(jié)串聯(lián)鋰離子和鋰聚合物電池組，與主控制器之間只需要進(jìn)行SMBus通信即可。監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)SMBC和SMBD兩線制與主控制器之間通信。BQ40Z60的寄存器主要有：電流寄存器、電流累計(jì)寄存器、電流偏置補(bǔ)償寄存器、電壓寄存器、溫度寄存器和溫度保護(hù)閾值寄存器等，圖3為芯片BQ40Z60內(nèi)部寄存器控制命令讀取圖：

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種便攜式設(shè)備在使用中需要對(duì)鋰電池電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)模塊，并對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。該模塊已成功應(yīng)用于某項(xiàng)目中，具有接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)難度低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，能適用于具有SMBus總線接口的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

圖3 寄存器控制命令讀取圖

[1] 謝卓,趙朋斌.一種鋰電池電量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,1(1)：192-194.

[2] 唐慧強(qiáng)，李超.基于CC2530的鋰電池電量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011(3)：1144-117.

[3] 李演明，毛翔宇，全思，等.一種用于鋰電池充電IC的電池檢測(cè)電路[J].微電子學(xué),2013，43(3)：354-358.

DesignandImplementationofaLithiumBatteryMonitoringModule

Lei Wei1， Shen Jian2

(1.AutomationResearchInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation,MianyangSichuan621000,China;2.ChengDuJinLinIndustrialmanufacturingCO.,LTD,PengzhouSichuan611900,China)

Aiming at the real-time monitoring needs of lithium battery power for a portable device in use, this article designs a lithium battery power monitoring module, and introduces in details the software and hardware，and finally realizes the real-time monitoring function of the lithium battery power. The module is successfully applied to a project with the characteristics of simple interface circuit design, low difficult for software development, stable and reliable operation and so on.

lithium battery; power monitoring; BQ40Z60

2017-10-10

雷巍(1984- )，男，重慶人，2007年畢業(yè)于重慶大學(xué)，主要從事自動(dòng)控制方向的研究。

1674- 4578(2017)06- 0025- 03

TP274

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