便攜式儀器鋰電池管理系統(tǒng)的設計與研制

李 婷，王 瑋，段金松，麻金龍，張兆山，梁樹紅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

隨著電子技術的發(fā)展，便攜式儀器在地質(zhì)找礦、地質(zhì)勘查、輻射監(jiān)測和防護等方面具有重要應用。穩(wěn)定的系統(tǒng)工作、惡劣的野外環(huán)境甚至長期連續(xù)的監(jiān)測方式對電源要求越來越高。鋰離子電池作為一種新型的綠色能源，因自放電小、電壓高、比容量大、質(zhì)量輕、無污染等優(yōu)點被廣泛應用于便攜式儀器、衛(wèi)星、儲備電源等領域［1-2］。為充分發(fā)揮其性能，延長鋰電池使用壽命，需結合電池管理系統(tǒng)（Battery Managemen System，BMS）對鋰電池進行管理［3］。目前，國內(nèi)外關于鋰電池管理系統(tǒng)的研究已取得較大進展。黎林等［4］以純電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)為研究目標，從鋰電池電荷狀態(tài)（State Of Charge，SOC）監(jiān)測、熱管理、電池組的絕緣檢測和充電模式四個方面提出了管理決策；喬思潔等［5］分析了鋰電池工作特性，建立了SOC模型，在實際估算中采用了安時積分和開路電壓相結合的方法，并引入必要的補償，實現(xiàn)了較準確的SOC估算；毛龍［6］等設計了基于并聯(lián)方式的分布式模塊化鋰電池管理系統(tǒng)，解決了并聯(lián)電池包之間的環(huán)流問題。關于鋰電池管理系統(tǒng)的設計應用研究大多集中于電動汽車領域，且設計系統(tǒng)龐大、算法復雜、不適用于便攜式儀器。本文針對地質(zhì)勘查、輻射監(jiān)測場合的特殊性及便攜式勘查儀器的結構特性，設計配套的鋰電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)重要參數(shù)的實時監(jiān)測與評估，以期延長電池安全使用壽命及工作時間，為儀器各工作模塊提供穩(wěn)定、長效的供電基礎。

1 總體方案設計

圖1 系統(tǒng)設計原理框圖Fig.1 Block diagram of system design

便攜式儀器鋰電池管理系統(tǒng)設計原理如圖1所示，主要由鋰電池組、電源管理芯片及外圍參數(shù)信息檢測電路、充放電控制電路等三部分組成。選用三片標稱容量為7 000 mAh±5%，標稱電壓為3.7 V的聚合物鋰離子電池串聯(lián)作為電源；電源管理芯片及外圍檢測電路用于實時監(jiān)測電池組的當前電壓、充放電電流、溫度等信息，并實現(xiàn)電池剩余電荷量（Remaining Capacity，RM）的準確估算及電池動態(tài)均衡；充放電控制電路提供正常的充放電通路，典型工作狀態(tài)為：當單節(jié)電池電壓低于3 V時，判定為電池欠壓，放電回路截止，當單節(jié)電池電壓高于4.2 V時，充電回路立即斷開防止電池過充，實現(xiàn)系統(tǒng)有效保護。此外，管理芯片以SMBus協(xié)議通過特定的I/O口與儀器微控制器通信，實現(xiàn)信息交互。

2 硬件電路設計

采用TI公司生產(chǎn)的BQ40z50-R1作為核心芯片，并結合外圍的阻容器件組成最小系統(tǒng)自動控制和管理鋰電池的充放電操作，電路設計如圖2所示。其中，BQ40z50-R1可對一節(jié)到四節(jié)串聯(lián)鋰電池組進行管理。芯片在監(jiān)測鋰電池使用周期內(nèi)電壓、電流、溫度和其它關鍵保護參數(shù)的同時保留準確的數(shù)據(jù)記錄，應用阻抗跟蹤技術準確測量電池的剩余電荷量，另外，提供基于軟件的兩級安全保護，可防止出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、短路、過載和過熱情況及其他故障。

2.1 電池充放電控制

充放電控制回路利用四個內(nèi)阻為6 mΩ的N溝道MOS管 （FS8205A），一個P溝道MOS管（FDN358P）及限流電阻構成，BQ40z50-R1的PCHG、CHG和DSG引腳輸出精確的控制電壓驅(qū)動其開關動作。其中選用兩路FS8205A并聯(lián)作為系統(tǒng)充電或放電開關，該設計的目的是為了降低快速充電過程中流過每個MOS管的電流，以此保護FET；另外降低內(nèi)阻，減少電池組內(nèi)阻評估誤差。系統(tǒng)充電周期包括對電池組的預充電、恒流充電和恒壓充電三個階段。當單節(jié)電池最小電壓低于2.9 V時，系統(tǒng)通過Q1實現(xiàn)對電池組的預充電，其中R1為限流電阻，預充電電流計算方式如公式1所示，通常情況下，預充電流值限制在15 mA內(nèi)。

圖2 硬件電路設計Fig.2 Schematic diagram of circuit design

式中：VC—充電器電壓值；VB—當前電池組端電壓值。

2.2 電流檢測

系統(tǒng)通過在BQ40z50-R1的SRP和SRN引腳間接入一個1到3 mΩ檢測電阻（R26）進行電流檢測，利用集成于芯片內(nèi)部的deltasigma ADC進行庫倫計數(shù)。

2.3 溫度檢測

BQ40z50-R1的TS1，TS2，TS3和TS4提供熱敏電阻驅(qū)動控制，內(nèi)部集成18 kΩ上拉電阻以支持外圍使用10 kΩ 25℃的NTC熱敏電阻進行溫度檢測。系統(tǒng)配置TS1，TS2，TS3用于監(jiān)測鋰電池組不同位置溫度，TS4用于充放電回路MOS管的溫度監(jiān)測。當電池組溫度低于-10℃或高于50℃，BQ40z50-R1關斷系統(tǒng)工作回路，避免鋰電池在寒冷或炎熱狀態(tài)下長時間運作，降低電池老化速率。

2.4 電量評估

關于鋰電池的SOC測量常用方法主要有開路電壓法、安時積分法等［7］。開路電壓法SOC預測精度較高，簡單易行，但開路電壓法的缺點是時間長，不適于動態(tài)估計［8］；安時積分法對于剛充滿電量的新電池而言非常有效，但隨著電池老化和自放電，SOC評估存在誤差，隨著時間的增加，累計誤差越來越大［9］。本文根據(jù)鋰電池類型差異，利用阻抗跟蹤算法通過對TI阻抗跟蹤電池電量計微調(diào)進行SOC及其他重要參數(shù)的準確評估。

電池管理系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖3所示，包括充電模式、放電模式及靜止狀態(tài)。阻抗跟蹤電池電量計根據(jù)不同的工作模式可精確測量電荷狀態(tài)（SOC），電池最大理論容量（QMax），剩余電量（RM）等參數(shù)，為電池的實際應用和維護提供基礎。

圖3 電池管理系統(tǒng)工作狀態(tài)Fig.3 Operating mode of battery management system

SOC：定義 SOC＝QD/QMax，其中，QD是由完全放電狀態(tài)計算得出的庫倫積分。當便攜式儀器處于睡眠或關機狀態(tài)時，電池組處于沒有負載的靜止狀態(tài)，此時電池在開路狀態(tài)下的端電壓（Open Circuit Voltage，OCV）與SOC存在精確的相關性。該相關性為電池組的放電或充電周期標記了一個最初的電池狀態(tài)。當儀器處于充電或放電模式時，庫倫計數(shù)器開始測量通過的電荷量并進行積分。

QMax：電池老化易造成電量估算誤差，因此在使用過程中需即時更新電池最大理論容量，本文中原始最大理論容量設置為7 000 mAh。取充電（或放電）周期前后的兩個OCV值轉換為SOC，而后根據(jù)公式2計算新的QMax。

式中：ΔQ—兩個OCV測量點之間的庫倫積分值。

RM：在接入外部負載之后，通過測量負載條件下的電池電壓差來測量每節(jié)電池的內(nèi)阻。電量計可根據(jù)阻抗對終止電壓 （3.0 V）進行預測，從而精確計算該負載下的剩余電量。RM計算方式如公式3所示。

式中：SOCstart—前狀態(tài)下OCV對應的SOC值；

SOCfinal同一負載電流下，截止電壓所對應的SOC值。

2.5 電池均衡

隨著電池循環(huán)充放電次數(shù)的增加，各單體電池容量差異逐漸增大、電壓逐漸分化，從而縮短使用壽命，電池均衡可消除電池成組后由于自身或長期使用而產(chǎn)生的各種不一致性，其電路如圖4所示。在每塊電池輸入端設置RC濾波電路抑制噪聲，典型的濾波電阻值為100 Ω；系統(tǒng)通過FET開關控制電池均衡，單塊電池均衡時間Cell Time＝dQ×（Bal Time/mAh），其中dQ為單節(jié)電池需均衡的容量，Bal Time/mAh的計算公式如下。

式中：Rcb—電池均衡FET電阻，典型值為200 Ω；D—電池均衡占空比，對于三串電池組典型值為0.3。

圖4 電池均衡原理圖Fig.4 Schematic diagram of cells equalization

3 系統(tǒng)測試

實驗選擇單節(jié)電池標稱容量為7 000 mAh±5%的10組鋰電池組，利用上述鋰電池管理系統(tǒng)進行多次充放電，測試主要性能指標及保護特性。

1）放電截止電壓檢測

圖5 電池放電曲線Fig.5 Discharge curve of battery in a full discharge cycle

圖1為以900 mA電流放電的完整放電周期。由圖可知，電壓低于1 076 7 mV（單節(jié)平均電壓為3 589 mV）時電池組剩余容量較少，放電過程中電池端電壓會快速下降到3.0 V。當任意一節(jié)電池電壓低于3 V時，BQ40z50-R1通過DSG引腳關閉FS8205A，系統(tǒng)截止放電。當系統(tǒng)無負載電流且與便攜式儀器無SMBus通信后進入休眠模式，休眠電流約為100 μA。

2）電池容量估算

表1 三串鋰電池估算容量與實測容量對比及誤差分析Table 1 Comparison and error analysis between estimated capacity and measured value of three series lithium batteries

表1為10組鋰電池組分別進行10次循環(huán)充放電后的平均估算容量與實測容量對比結果，其相對誤差最大值為2.64%，滿足系統(tǒng)要求。因此，本系統(tǒng)的容量估算準確可靠，可為便攜式儀器使用過程中的電池容量預警以及即時充電動作提供依據(jù)。

4 結語

根據(jù)野外地質(zhì)勘查中便攜式儀器應用的實際需求和鋰電池方便、簡潔、安全、高效的使用要求，本文設計了一種應用于便攜式儀器的鋰電池管理系統(tǒng)，具有充放電狀態(tài)自動切換、過充保護、電池耗盡保護、最大充電電流限制、溫度保護等功能，并且可進行剩余容量估計。經(jīng)試驗測試，該系統(tǒng)達到了預期技術要求。目前，該系統(tǒng)已初步應用于FD216環(huán)境氡測量儀，儀器工作期間系統(tǒng)安全運行穩(wěn)定，具有良好的實際應用效果。

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