面向移動(dòng)機(jī)器人的主備雙路智能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洪濤，王 猛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引 言

移動(dòng)機(jī)器人對(duì)電池管理要求較高。其可靠性決定了移動(dòng)機(jī)器人能否正常工作。然而，目前移動(dòng)機(jī)器人一般由一組大容量電池組集中為所有電氣設(shè)備供電，或者由多組電池組分別為不同電氣設(shè)備供電[1-4]。當(dāng)其中一組電池出現(xiàn)故障，導(dǎo)致供電中斷，機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)或部分功能將無(wú)法正常工作。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了主備雙路智能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了外部供電、主備雙路智能電池的無(wú)縫切換、過(guò)放電保護(hù)、電量檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人可靠地提供電能。

2 智能電池系統(tǒng)介紹

智能電池系統(tǒng)（SBS）遵循SBS1.1規(guī)范，包括智能電池、系統(tǒng)管理總線(xiàn)（SMBus）、智能電池選擇器和智能電池充電管理器。智能電池充電管理器通過(guò)SMBus總線(xiàn)與智能電池通訊，采集電池的溫度、氣壓、電流、電壓等信息，實(shí)現(xiàn)充放電管理、電源軌切換和監(jiān)控等功能。SBS的模塊化特性使系統(tǒng)具有靈活的擴(kuò)展能力，雙電池切換實(shí)現(xiàn)不間斷供電，從而保障供電可靠性。圖1為SBS系統(tǒng)的原理框圖。

與傳統(tǒng)方案相比，SBS系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)[5]：

①智能電池的溫度、氣壓傳感器保障電池電量評(píng)估準(zhǔn)確，充放電管理精準(zhǔn)；

②即插即用，標(biāo)準(zhǔn)兼容。具有不同化學(xué)特性、配置，甚至不同充電算法的任何符合SBS標(biāo)準(zhǔn)的智能電池組都可以直接兼容；

③內(nèi)置安全功能。SBS標(biāo)準(zhǔn)提供監(jiān)視計(jì)時(shí)器和一個(gè)處在電池和充電器之間的特別“安全信號(hào)”接口；

④充電器可無(wú)主控制器自適應(yīng)管理；

⑤主控制器可根據(jù)需要收集電池狀態(tài)信息，制定不同的運(yùn)行策略。

蔣忠偉等人設(shè)計(jì)的智能電池系統(tǒng)[6-7]是在SBS基礎(chǔ)上，采用RS-232協(xié)議替代SMBUS總線(xiàn)提升電池管理系統(tǒng)的通用性.但因采用單電池的智能電池系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不間斷供電，難以保障移動(dòng)機(jī)器人供電的高可靠性要求。

圖1 SBS系統(tǒng)原理框圖

3 主備雙路智能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主備雙路智能電池系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直流輸入與智能電池組輸入之間、兩個(gè)智能電池組之間的電源路徑選擇，智能電池組的充電管理以及與STM32系統(tǒng)之間的通信交互功能。目前市面上支持智能充電的芯片較多，比較常見(jiàn)的有德州儀器公司的BQ247XX,凌特公司的LTC40XX,美信公司的MAX87XX等等。選用凌特公司的雙智能電池管理器芯片LTC1760作為智能電池系統(tǒng)管理電路的核心，通過(guò)單芯片實(shí)現(xiàn)智能電池選擇器和充電器的功能。其原理框圖如圖2所示。圖3為采用LTC1760芯片的連接示意圖。

采用此種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下[8]：

①雙電池同步充電模式相對(duì)順序充電模式的充電器可以縮短充電時(shí)間。

②3個(gè)電源通路MOSFET支持從DCIN和兩個(gè)電池同時(shí)放電，提供更大的放電電流。

③硬件可編程電流和電壓安全限制以及很多其他安全功能用以補(bǔ)充電池的內(nèi)部保護(hù)電路。

圖2 雙路智能電池系統(tǒng)的原理框圖

圖3 LTC1760系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.1 電路設(shè)計(jì)

主備雙路智能電池系統(tǒng)采用凌特公司的雙智能電池管理器芯片LTC1760作為核心芯片。LTC1760是為使用雙路智能電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高度集成的3級(jí)電池充電器和選擇器，采用降壓開(kāi)關(guān)拓?fù)?，具有符合智能電池?biāo)準(zhǔn)定義的多種功能和輸入限流、安全限制等新增功能。

LTC1760的SMBus接口可以跟蹤電池的內(nèi)部電壓和電流，同時(shí)允許一個(gè)外接的SMBus主機(jī)監(jiān)控任意一個(gè)電池的狀態(tài)。通過(guò)SMBus接口，主機(jī)系統(tǒng)可獲知電池供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)。例如電池組的電壓、電流、充電電壓、充電電流、電池告警狀態(tài)，以及使用的是外接電源還是電池組供電等。LTC1760的充電精度由電池組內(nèi)部的電壓、電流測(cè)量值決定，典型的測(cè)量精度誤差為±0.2%。雙電池系統(tǒng)通常采用順序放電方式放電，即先消耗電池組1的電量，再消耗電池組2的電量，通過(guò)這種方式來(lái)簡(jiǎn)單地延長(zhǎng)總的電池放電時(shí)間。而LTC1760采用專(zhuān)有的供電路徑架構(gòu)，支持兩路電池同時(shí)充電或放電。典型狀態(tài)下，可使電池供電時(shí)間延長(zhǎng)10%，而充電時(shí)間可減少50%。

LTC1760芯片具有功能完備，電路設(shè)計(jì)主要需要確定如下5個(gè)參數(shù)：

(1)輸入限流電阻RCL

用于限制系統(tǒng)充電電流和負(fù)載電流之和，不超過(guò)外接電源適配器的額定電流。系統(tǒng)中，適配器選擇24V、150W，額定電流為6A，RCL=100mV/ILIM

RCL選擇0.018Ω/1W的電阻，ILIM=5.7A。

(2)限流電阻RILIM

設(shè)定充電器可以供給電池的最大允許電流，任何超過(guò)這個(gè)限度的值都會(huì)被限定值所取代。

(3)匹配充電電流檢測(cè)電阻RSENSE

作用是讓充電器的滿(mǎn)標(biāo)度電流與設(shè)置滿(mǎn)標(biāo)度限流值同步。在本系統(tǒng)中充電最大電流設(shè)定為4A，RILIM設(shè)定為開(kāi)路，RSENSE使用0.025Ω/1W的電阻。

(4)限壓電阻RVLIM

用于設(shè)定充電器可輸出的5個(gè)限壓值中的一個(gè)，系統(tǒng)中充電限制電壓設(shè)定為16.8V，因此，RVLIM選擇33kΩ的電阻。

(5)短路保護(hù)電阻RSC

用于設(shè)定電路短路保護(hù)啟動(dòng)電流。系統(tǒng)中3個(gè)電源通路都由2個(gè)背對(duì)背的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管與短路檢測(cè)電阻RSC串聯(lián)。系統(tǒng)中選擇RSC=0.012Ω/1W。

基于以上5個(gè)主要參數(shù)，并結(jié)合其他相關(guān)輔助電路設(shè)計(jì)，最終形成了主備雙路智能電池系統(tǒng)整體方案并制作了控制板實(shí)物電路。圖4給出了主備雙路智能電池系統(tǒng)的電池管理模塊及斷電保護(hù)模塊原理圖。圖5給出了主備雙路智能電池系統(tǒng)控制板的板圖設(shè)計(jì)，圖6則給出了控制板實(shí)物圖。

圖4 電池管理模塊及斷電保護(hù)模塊原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為了更準(zhǔn)確的了解主備雙路智能電池系統(tǒng)運(yùn)行情況以及電池狀態(tài)，基于Microsoft Visual Studio開(kāi)發(fā)工具包，使用C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了與之匹配的智能電池管理系統(tǒng)應(yīng)用程序。通過(guò)該應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況及電池狀態(tài)，并可以實(shí)現(xiàn)主備雙路電池系統(tǒng)的充放電管理和狀態(tài)監(jiān)控等功能，為機(jī)器人控制器的電源管理策略提供數(shù)據(jù)。圖7為主備雙路智能電池系統(tǒng)應(yīng)用程序的監(jiān)控及配置界面。

圖5 主備雙路智能電池系統(tǒng)控制板布局圖

圖6 主備雙路智能電池系統(tǒng)控制板實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主備雙路智能電池系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到某型號(hào)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中。移動(dòng)機(jī)器人控制器通過(guò)串口與智能電池系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù)、電量檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能。在一系列的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，該智能電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，并采取相應(yīng)的調(diào)整措施，為移動(dòng)機(jī)器人提供穩(wěn)定的電能。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)機(jī)器人對(duì)電池管理要求較高。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了主備雙路智能電池系統(tǒng)，較為詳細(xì)的介紹各部分的組成結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。主備雙路智能電池系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)外部供電、主備雙路智能電池的無(wú)縫切換，過(guò)放電保護(hù)，電量檢測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)等功能，進(jìn)一步提升了移動(dòng)機(jī)器人供電系統(tǒng)的可靠性，并推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。

圖7 主備雙路智能電池系統(tǒng)應(yīng)用程序的監(jiān)控及配置界面

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