基于BQ24105的鋰離子電池充電管理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任勇峰，董琳琳，劉東海

(中北大學(xué) 微米納米技術(shù)研究中心，太原 030051)

隨著嵌入式設(shè)備運(yùn)用的日益普及，及對(duì)設(shè)備便攜化的需求也在逐漸增強(qiáng)。而便攜的實(shí)現(xiàn)離不開電池的使用。傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫蓄電池的體積和質(zhì)量大，污染嚴(yán)重[1]。而鋰離子電池具有小的體積，輕的質(zhì)量，大的能量密度和穩(wěn)定的性能[2]?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)使鋰離子電池在便攜化發(fā)展中廣受青睞。但鋰離子電池在使用時(shí)要求十分嚴(yán)格，不可過(guò)充[3]。因此，要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電管理，保證鋰離子電池的使用壽命等各項(xiàng)性能的穩(wěn)定。從而可進(jìn)一步保證設(shè)備的性能穩(wěn)定。

1 設(shè)計(jì)方案

以BQ24105芯片為核心的充電管理模塊及搭建的測(cè)試平臺(tái)組成的設(shè)計(jì)鏈路如圖1所示。測(cè)試臺(tái)部分由測(cè)試臺(tái)和上位機(jī)組成，用于下發(fā)主備電切換命令和接收傳回的數(shù)據(jù)并上傳到上位機(jī)顯示出來(lái)[4]。測(cè)試臺(tái)中的FPGA與上位機(jī)通過(guò)PCI9054橋接芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令等的交互[5]。測(cè)試平臺(tái)與存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)線纜以異步422形式進(jìn)行傳送和接收。

存儲(chǔ)設(shè)備部分，由充電管理模塊、采集模塊、FPGA和其他模塊組成。在BQ24105的充電輸出端串接霍爾電流傳感器。AD采集單元利用AD7667配合模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)采集接收電流值和電池端電壓值[6]。采集得到的數(shù)字量經(jīng)過(guò)FPGA以422形式發(fā)送給測(cè)試平臺(tái)接收顯示。

圖1 設(shè)計(jì)鏈路示意圖

2 采集模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)是為了采集監(jiān)測(cè)充電電流和電池端電壓，其中電流采集是使用霍爾電流傳感器HBA05-SP將充電電流轉(zhuǎn)換為電壓值，之后將該電壓和電池端電壓再輸入到AD采集單元轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量[7]，最終上傳至上位機(jī)顯示。

對(duì)于HBA05-SP霍爾電流傳感器，它所使用的原理圖如圖2所示，HBA05-SP是閉環(huán)霍爾電流傳感器，它的初、次級(jí)之間是絕緣的，具有超強(qiáng)抗干擾能力。它的匝數(shù)比為4∶1 000，額定輸入有效電流值為5 A，額定輸出有效電流值為20 mA，共6個(gè)引腳。電流流向?yàn)?到6，需要將傳感器通過(guò)5、6引腳串接到電路中，1、3引腳為供電端，本方案采用12 V供電，4引腳為電流輸出端?，F(xiàn)根據(jù)需要設(shè)定所測(cè)電流范圍在50 mA到500 mA，根據(jù)匝數(shù)比與電流比成反比可以得出，傳感器輸出電流范圍在0.2～2 mA之間，為方便AD采集單元采集，設(shè)置如圖2所示的分壓電阻，其中R1=51 Ω，R2=1.24 kΩ，將電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓后，再由AD采集單元采集。

圖2 HBA05霍爾電流傳感器原理圖

3 充電管理模塊的設(shè)計(jì)

3.1 降壓和主備電切換部分

由于存儲(chǔ)設(shè)備的其他模塊需要的電壓是3.6 V，而電池組是由2節(jié)標(biāo)稱值是3.7 V的鋰離子電池串聯(lián)組成。本方案選擇輸出電壓可調(diào)的高電流低壓差線性穩(wěn)壓芯片MIC29302BT實(shí)現(xiàn)降壓，如圖3所示，為電池組降壓電路圖。該芯片使用時(shí)要求，輸入電壓VIN取(VOUT+1～26 V)之間，即4.6～26 V，電池組電壓符合該要求。輸出電壓可選1.25～25 V范圍內(nèi)的值，可通過(guò)式(1)設(shè)置電阻R1和R2實(shí)現(xiàn)相應(yīng)輸出的電壓值。根據(jù)需要可得，

(1)

其中，VADJ=1.240 V，代入可得，

取標(biāo)稱值R1=1.6 kΩ、R2=820 Ω。此外還需注意該芯片具有使能端EN，要求小于0.8 V時(shí)使能無(wú)效，大于等于2.4 V時(shí)使能有效，電池組的降壓使能端是FPGA控制，使能端有效時(shí)電壓在3.3 V左右，因此，為了能有效控制使能開合，在使能端加1 kΩ下拉電阻R3，如圖3所示。

圖3 電池組降壓電路圖

主備電切換部分，如圖1所示的充電管理模塊。當(dāng)通過(guò)線纜將主電源連接到存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，主電源(12 V)一方面對(duì)電池組進(jìn)行充電，另一方面通過(guò)同步降壓轉(zhuǎn)換器LMR33630將主電源的12 V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5.2 V輸出，再通過(guò)MIC29302直接利用VIN作為使能信號(hào)為存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行供電，如圖4所示。而電池組方面由上位機(jī)下發(fā)主電源指令將電池組的MIC29302使能端變?yōu)榈?。?dāng)主電源供電時(shí)需要整個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備工作，需要有穩(wěn)定且較大的電壓和電流，故這里選用LMR33630作為主電源的降壓轉(zhuǎn)換器，該降壓轉(zhuǎn)換器可以用高達(dá)36 V的輸入電壓驅(qū)動(dòng)高達(dá)3 A的負(fù)載電流，并且具有超小型QFN封裝和低EMI、低噪聲，效率高等特點(diǎn)。該芯片在使用時(shí)需注意，輸入電壓值可選6～36 V之間，輸出的直流電流應(yīng)在0～3 A,輸出的直流電壓應(yīng)在1～24 V。VFB為反饋電壓，值為1 V。本方案要用12 V輸入電壓得到輸出5.2 V電壓和1.5 A左右的電流。所搭建DC-DC降壓電路如圖4所示，根據(jù)式(2)可得到分壓電阻值。

(2)

取標(biāo)稱值RFBT=100 kΩ，RFBB=23.7 kΩ+107 Ω。

根據(jù)式(3)可得到輸出電感值，

(3)

其中K=0.3，fsw=400 kHz。代入可得標(biāo)稱值L=8.5 μH。

圖4 DC-DC降壓電路圖

當(dāng)需要電池組進(jìn)行供電時(shí)，撤掉線纜斷開主電源(12 V)時(shí)先通過(guò)上位機(jī)向存儲(chǔ)設(shè)備下發(fā)一個(gè)備用電源指令給存儲(chǔ)設(shè)備的FPGA，再斷開線纜(主電源)，當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)備的FPGA接收后立刻使能與電池組相接的MIC29302的使能端，此時(shí)為電池供電，完成了主備電源的切換。

3.2 BQ24105芯片關(guān)鍵設(shè)計(jì)

相比于BQ241XX系列的其他型號(hào)，除了具有高精度的充電電流和充電管理電壓、可調(diào)的工作溫度和可調(diào)的充電時(shí)間等特點(diǎn)外，還有作用對(duì)象多，并且設(shè)有輸出電壓反饋調(diào)節(jié)端等特點(diǎn)。

3.2.1BQ24105芯片充電過(guò)程

BQ24105芯片的溫度特性，芯片比較TS引腳的電壓與內(nèi)部門限值來(lái)決定是否允許充電。為了初始化一個(gè)充電循環(huán)，電池溫度必須在V(LTF)到V(HTF)之間。不在該范圍則暫停充電等待直到屬于該范圍。在充電循環(huán)期間(預(yù)充電和快速充電)，電池溫度必須在V(LTF)到V(TCOF)之間，不在該范圍則暫停充電等待到達(dá)V(LTF)到V(HTF)范圍。如圖5所示。

圖5 BQ24105芯片的溫度特性

根據(jù)鋰離子電池的充電特點(diǎn)和BQ24105充電芯片的工作特性，充電的基本過(guò)程可分為預(yù)充電，快速充電和終止充電3個(gè)階段[8]。圖6為充電曲線，由于鋰離子電池具有較高的能量比，如果直接進(jìn)入快充模式，會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生損害。該芯片在預(yù)充電時(shí)，如果電池端電壓VBAT低于VLOWV門限電壓，則芯片采用預(yù)充電流IOPRECHG充電，該電流激活電池，并且激起預(yù)充定時(shí)器(30 min)，如果定時(shí)器結(jié)束時(shí)還未到達(dá)VLOWV，則停止充電，STATX顯示充電錯(cuò)誤。當(dāng)換個(gè)電池或重新上電復(fù)位后，錯(cuò)誤狀態(tài)將被清除。

圖6 充電曲線

快速充電根據(jù)鋰離子電池的充電特性分為恒流充和恒壓充兩個(gè)階段。恒流充時(shí)充電電流不變，充電端電池電壓持續(xù)升高，當(dāng)充電端電池電壓達(dá)到設(shè)置的充電截止電壓值后，進(jìn)入電壓管理階段，充電端電池電壓不變，充電電流逐漸減小。芯片在電壓管理階段監(jiān)測(cè)充電電流，一旦檢測(cè)到終止電流ITERM，芯片就會(huì)終止充電[9]。終止電流與預(yù)充電電流基本相等。圖7所示為BQ24105對(duì)鋰離子電池充電時(shí)的流程。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本方案要給2節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池進(jìn)行充電。充電時(shí)要求充電截止電壓最大為8.3 V，充電時(shí)間最多為2.5 h，充電溫度為0～45 ℃，充電電流為350 mA，預(yù)充電電流是充電電流為58 mA。BQ24105搭建的電路如圖8所示。

圖7 BQ24105對(duì)鋰離子電池充電時(shí)的流程框圖

圖8 BQ24105搭建的電路圖

3.2.2充電參數(shù)設(shè)計(jì)

1)充電電壓設(shè)計(jì)

BAT引腳為充電管理電壓端，F(xiàn)B引腳為充電電壓的反饋調(diào)節(jié)端口，設(shè)計(jì)時(shí)，利用R1和R2將BAT端的電壓值配置成充電截止電壓值[10](廠家推薦8.3 V)。根據(jù)式(4)可得，

(4)

2)充電時(shí)間的設(shè)計(jì)

TTC為快充定時(shí)器及終止控制引腳，充電時(shí)間可通過(guò)設(shè)置TTC引腳對(duì)地電容值來(lái)實(shí)現(xiàn)，由式(5)可得，

(5)

其中，KTTC=2.6 min/nF，tCHARGE可選25～572 min范圍，本方案選tCHARGE=2.5 h，CTTC=57.69 nF，取標(biāo)稱值CTTC=56 nF。

3)充電溫度的設(shè)計(jì)

鋰離子電池最好在0～45 ℃范圍進(jìn)行充電，故將BQ24105充電芯片的充電工作溫度設(shè)置在該范圍[11]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的管理，僅需要配置好分壓電阻RT1和RT2即可，這里的熱敏電阻選103AT，其中熱敏電阻的低溫極限電阻為RTHclod=27.28 kΩ，高溫極限電阻為RThot=4.912 kΩ。由式(6)和(7)可得，

(6)

其中，VLFT=73.5%·VO(VTSB)，VHFT=34.4%·VO(VTSB)，VO(VTSB)=3.15 V，代入可得，RT2取標(biāo)稱值442 kΩ。

(7)

代入可得，取標(biāo)稱值RT1=9.31 kΩ。

4)充電電流的設(shè)計(jì)

SNS引腳為充電電流感應(yīng)輸入端，電池電流通過(guò)一個(gè)外部串聯(lián)電阻RSNS對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電壓值作為芯片判斷電流的依據(jù)[12]。由式(8)可得，

(8)

其中，VRSNS=100 mV，代入可得，取標(biāo)稱值0.3 Ω。

ISET1引腳為快充充電電流配置端，通過(guò)設(shè)定RISET1配置不同的最大充電電流值，由式(9)可得，

(9)

其中，KSET1=1 000，VISET1=1，代入可得，取標(biāo)稱值9.53 kΩ。同理，ISET2引腳為預(yù)充電電流配置端，根據(jù)式(10),

(10)

其中，KISET2=1 000，VISET2=0.1 V，代入可得，取標(biāo)稱值5.76 kΩ。

5)充電LC振蕩的設(shè)計(jì)

電感參數(shù)的選擇是充電電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，用以提供內(nèi)部回路補(bǔ)償,其電感值要足夠大，以保證紋波性能，由式(11)可得，

(11)

其中ΔIL=30%×ICHARGE，f表示芯片內(nèi)部的PWM控制器的工作頻率，取f=1.1×106，VINMAX表示芯片的工作電壓和輸入電壓的最大值(16 V)。代入可得，取標(biāo)稱值22 μF。

充電輸出電容與充電輸出電感的諧振頻率在10～20 kHz之間，這里取f0=16 kHZ。

(12)

代入式(12)可得，取標(biāo)稱值4.7 μF。

6)充電狀態(tài)的設(shè)計(jì)

該芯片設(shè)有兩個(gè)引腳，STAT1和STAT2，用以顯示充電狀態(tài)，本方案的流程如圖7所示，利用LED的亮滅表明充電的狀態(tài)，如表1所示。

表1 充電狀態(tài)對(duì)應(yīng)

4 測(cè)試與驗(yàn)證

用一個(gè)10 Ω、25 W的大電阻對(duì)電池放電至4.5 V左右后，將電池連接到充電模塊后對(duì)電池進(jìn)行充電，并用線纜將存儲(chǔ)設(shè)備和測(cè)試平臺(tái)相連接，每3 min記錄通過(guò)上位機(jī)顯示的采集回來(lái)的充電電流值和電池電壓值，通過(guò)整理繪制得到如圖9溫度在規(guī)定范圍時(shí)的曲線。

圖9 溫度在規(guī)定范圍時(shí)的曲線

經(jīng)多次測(cè)試，可以看到，在2.5 min內(nèi)完成充電并且實(shí)測(cè)曲線與芯片管理過(guò)程曲線走勢(shì)一致，實(shí)現(xiàn)了電池管理，后將該模塊放置于零下及45 ℃以上的環(huán)境下進(jìn)行充電，發(fā)現(xiàn)充電模塊暫停充電工作，圖10所示為溫度不在規(guī)定范圍時(shí)的曲線，在21∶27左右時(shí)刻之前為模塊處于不滿足溫度條件時(shí)不充電的曲線，充電電流值很小，電池端電壓值由于不充電也未消耗而幾乎不變，STATX燈均不點(diǎn)亮。在21∶27左右時(shí)刻之后為模塊恢復(fù)到0～45 ℃時(shí)充電模塊正常充電的曲線，充電電流值和電池端電壓值再次進(jìn)行正常變化，并且充電狀態(tài)燈在充電時(shí)僅STAT1燈亮，而在充電完成時(shí)僅STAT2燈亮。

圖10 溫度不在規(guī)定范圍時(shí)的曲線

5 結(jié)論

根據(jù)BQ24105芯片的功能特點(diǎn)，結(jié)合鋰離子電池的充電特性，提供了實(shí)用的電路設(shè)計(jì)方案，搭建了可靠有效的測(cè)試平臺(tái)，該模塊可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要安全可靠的完成鋰離子電池的充電工作，性能穩(wěn)定，效果良好且實(shí)用性強(qiáng)，確保了設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性。