便攜式儀表鋰電池充電管理和電量檢測(cè)的實(shí)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(diǎn)，便攜式儀表必須由電池來(lái)進(jìn)行供電。供電電池的特性對(duì)儀表的正常工作有很大影響。在實(shí)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(shí)間盡量長(zhǎng)。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(shí)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(chǎng)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(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。本文針對(duì)某一種便攜式儀表的需求，設(shè)計(jì)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(cè)方案。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了驗(yàn)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(zhǎng)循環(huán)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)、低自放電率等優(yōu)點(diǎn)[1]。基于鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí))。為了滿足儀表正常工作的時(shí)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(lái)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(guò)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(guò)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(duì)鋰離子電池的過(guò)度充電將會(huì)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(xiǎn)[2-3]。供電電池存在的一切安全隱患都將對(duì)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(duì)鋰離子電池組進(jìn)行充電管理。此外，本次應(yīng)用中需要對(duì)電池組的剩余電量進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)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(duì)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(duì)電池組進(jìn)行充電的起始階段，先以恒定電流對(duì)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(duì)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(shí)，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(lái)實(shí)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(guó)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(dòng)態(tài)能量管理來(lái)盡量減少充電時(shí)間、可以實(shí)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(shí)現(xiàn)充電控制、過(guò)放指示可以保護(hù)電池過(guò)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(lái)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(lái)設(shè)置SRSET的端口電壓，以此來(lái)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(cè)電池組電壓。對(duì)于本次選定的鋰離子電池組，設(shè)定開(kāi)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(cè)檢流電阻R1上的電壓VR1，當(dāng)VR1小于62.5 mV(2.5 A×25 mΩ)時(shí)， 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(guò)BATP端口來(lái)檢測(cè)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(mén)限值時(shí)，模塊對(duì)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(shí)，在本次儀表應(yīng)用中即充電電流減小為275 mA至367 mA時(shí)就認(rèn)為電池已經(jīng)充滿電。可以通過(guò)檢測(cè)R1的電壓VR1來(lái)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(shí)現(xiàn)

在本次應(yīng)用中， 采用 LTC1871 芯片來(lái)構(gòu)成BOOST升壓電路來(lái)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(guó)LT公司生產(chǎn)的電流模式PWM控制器。該芯片的特點(diǎn)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(mén)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(shí)，該芯片才可正常工作。當(dāng)沒(méi)有接入適配器，即Vadp為0時(shí)，電池組電壓Vbat經(jīng)過(guò)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(shí)，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(shí)， Vbat-12 V為0。

主備電供電切換的思路為：當(dāng)接入適配器時(shí)，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(méi)有接入適配器時(shí)，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(cè)

由于儀表所要求的剩余電量檢測(cè)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(jiǎn)單、有效的剩余電量檢測(cè)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(lái)檢測(cè)剩余電量，并通過(guò)修正算法來(lái)提高剩余電量的檢測(cè)精度， 借助儀表中的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組剩余電量的檢測(cè)和顯示。在充電過(guò)程中，用一個(gè)進(jìn)度條來(lái)顯示充電狀態(tài)，而不檢測(cè)電池組的剩余電量。在放電過(guò)程中，借助儀表系統(tǒng)中的DSP，根據(jù)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組剩余電量的檢測(cè)，并在儀表顯示屏上以百分制實(shí)時(shí)顯示。

具體的剩余電量檢測(cè)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(lái)計(jì)算得出新的剩余電量值。首先測(cè)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(cè)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(duì)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(kāi)始放電時(shí)，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(cè)精度和實(shí)現(xiàn)方案的復(fù)雜度，將放電過(guò)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(chǔ)在DSP的FLASH中，作為計(jì)算剩余電量的參考數(shù)據(jù)。進(jìn)行剩余電量檢測(cè)時(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的剩余電量值，并在顯示屏上進(jìn)行顯示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

利用制作的充電管理和剩余電量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)板并配合某種儀表對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行充電管理和剩余電量檢測(cè)精度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 充電管理功能驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guò)程的進(jìn)行逐漸上升。當(dāng)電池組端電壓上升到8.38 V時(shí)，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(shí)間為4.57 h，恒壓充電時(shí)間為0.43 h。進(jìn)行恒壓充電的門(mén)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(cè)量誤差和溫度影響引起的。當(dāng)充電電流減小到300 mA時(shí)停止充電，總充電時(shí)間為5 h，理論充電時(shí)間為4.4 h。充電時(shí)間差別是由于鋰離子單體電池的差異和恒壓充電時(shí)間等因素造成的。

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

4.2 剩余電量檢測(cè)精度分析

對(duì)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(guò)計(jì)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(duì)應(yīng)電壓區(qū)間為7.881 ～8.121 V， 該電壓區(qū)間對(duì)應(yīng)的剩余電量為90 % ～99.8 %。計(jì)算得知，在電池組端電壓范圍內(nèi)，通過(guò)分段線性擬合方案進(jìn)行剩余電量檢測(cè)的最大誤差為1.23%。由此可知，剩余電量檢測(cè)精度滿足儀表1.5%精度要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)便攜式儀表應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了鋰離子電池組的充電管理模塊。該充電管理模塊可實(shí)現(xiàn)適配器供電和電池組供電的自動(dòng)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(mén)限電壓。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該充電管理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組剩余電量的檢測(cè)， 1.23 %的剩余電量檢測(cè)精度滿足儀表的檢測(cè)精度要求。該剩余電量檢測(cè)方案在滿足儀表需求的前提下，盡可能采用簡(jiǎn)單的電量檢測(cè)方案，減小了對(duì)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(cè)方案中，沒(méi)有考慮電池的自然放電率和電池老化對(duì)電量檢測(cè)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(cè)應(yīng)用中，還需要考慮這兩個(gè)問(wèn)題對(duì)剩余電量檢測(cè)精度的影響。

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