基于BQ76PL536的均衡系統(tǒng)設計

李峰，張一鳴，陳賀娜

（北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100124）

科學技術的飛速發(fā)展，微電子、微機械、新材料、新工藝等領域不斷取得的技術進步和突破，為現(xiàn)代無人機的發(fā)展奠定了技術基礎。軍事和農(nóng)業(yè)等方面對無人機的大量需求，又形成了推動無人機發(fā)展的強勁動力。因此，現(xiàn)代無人機的興起，是發(fā)展的必然趨勢，其研究已經(jīng)成為世界航天技術研究的熱點。

無人機的各個系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)是關鍵系統(tǒng)之一，它為無人機的其它系統(tǒng)和有效載荷提供電能。電池壽命的長短直接影響無人機的飛行時間。因此，為了進一步增加無人機續(xù)航能力，需要在電源中增加均衡系統(tǒng)以延長其使用壽命。

1 均衡設計所要解決的主要問題

現(xiàn)代無人機所承載的電子設備越來越多，飛行時間也越來越長，對電源的續(xù)航時間提出了更高的要求。同時由于無人機本身空間和搭載的質(zhì)量有限，要求電源質(zhì)量輕，續(xù)航時間長。為保證各系統(tǒng)和負載穩(wěn)定高效地工作，電源均衡部分的設計應該從以下幾個角度考慮[1]：

(1)從功能角度考慮：精確的單體電壓測量是整個電池管理系統(tǒng)的核心，為均衡功能的順利實現(xiàn)提供基礎，同時為電源管理系統(tǒng)中剩余電量的精確計算提供了保證。

(2)從能量角度考慮：芯片本身損耗須更低，具備待機功能；并可根據(jù)不同電池特性，重新設定相應的參數(shù)，方便用戶操作，并能夠觀測各個電池的狀態(tài)參數(shù)。

(3)從產(chǎn)品的形狀因子角度考慮：單個芯片須同時測量多個電池，以減少芯片數(shù)量。同時要求芯片自身具備小的封裝形式，芯片需要的外圍元件數(shù)量也要盡量少，尺寸盡量小，以節(jié)省板級空間。

2 均衡原理

當一組電池串聯(lián)使用時，由于電池存在個體差異，在終止放電后各電池的終止電壓并不完全相等。當對這樣一組串聯(lián)電池進行充電時，也只測量串聯(lián)后的電池組的電壓作為終止充電電壓，這樣會造成部分電池充電不足而個別電池過度充電。雖然新的電池組個體差異不大，但是由于這種個體差異在電池組充電時會經(jīng)過多次積累，最終造成個別電池過早的損壞進而造成整組電池的報廢，甚至個別電池充電時會發(fā)生爆炸，因此需要對電池組進行均衡保護[2]。

圖1是電池均衡電路工作原理示意圖，其中B1，B2，……，B n是一組串聯(lián)的電池，Q1，Q2，……，Q n是可控的放電開關，電阻R1，R2，……，R n為放電電阻，用來給需要放電的電池放電。芯片讀取各個電池電壓并比較，找到最低電壓以后，以該電池電壓為基準對其它電池進行放電，并在放電的過程中不斷地測量電池的電壓，當放電電池的電壓等于基準電壓后就停止對這個電池放電，當所有電池的電壓都等于基準電壓值后，停止這個電池組的放電[3]。

3 硬件設計

BQ76pl536電池管理芯片由精確的模擬數(shù)字轉換器（ADC）、獨立的供電單元電壓及溫度保護、電池均衡、以及一個精確的5 V低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）組成。適用于電池供電的場合中，其特點如下：

（1）一片可同時連接6節(jié)電池，通過簡單級聯(lián)，最多可同時測試192節(jié)電池；

（2）具有9個14位高精度、高轉換速率的ADC；

（3）具有低功耗以及均衡、過壓、欠壓、過熱等保護功能；

（4）具有高速的數(shù)據(jù)通信接口SPI；

（5）專用集成開發(fā)環(huán)境，提供芯片配置向?qū)В奖阌脩襞渲眉拇嫫鲄?shù)。

利用該芯片所設計的均衡器電路原理圖，如圖2所示。該電路可以與6節(jié)以上單體電池構成的電池組相連接。圖中R1，R2，……，R6分別為電池的放電電阻，可以對被放電電池以500mA的電流進行放電，Q1，Q2，……，Q6為P溝道增強型場效應管，作為放電控制開關用來控制各單體電池放電。芯片可直接由被測電池組供電，供電范圍5～36 V，并且芯片的各個端口能夠承受的最大電壓為36 V，因此不需要經(jīng)過分壓來實現(xiàn)電平的匹配。圖2中可以看到Q1，Q2，……，Q6的柵極通過電阻直接與芯片相連。芯片通過簡單的非隔離級聯(lián)，就可以同時測試6節(jié)以上電池電壓。

芯片的保護功能主要包括電池過壓保護、電池過放電保護以及溫度過高保護。

（1）電池過壓保護。BQ76pl536芯片監(jiān)測各個單體電池電壓，并與設定的電壓相比較，若超過設定電壓并且持續(xù)一段時間后，則啟動相應的放電開關，直到實際電壓降至設定電壓范圍以內(nèi)，放電開關關閉。

（2）電池的過放電保護。先通過設置寄存器CFG_CUV設置電池的過放電閾值，通過配套軟件可以直接寫入數(shù)值。然后比較電池電壓與過放電閾值的大小，若電池電壓小于過放電閾值，則相對應電池的狀態(tài)寄存器CUV_FAULT的狀態(tài)發(fā)生改變，并發(fā)送警報信號ALERT，以實現(xiàn)過放電保護。

（3）過熱保護。溫度閾值可根據(jù)實際情況自行設定，當溫度超過設定值，則溫度狀態(tài)寄存器OT1，OT2的狀態(tài)發(fā)生改變，并發(fā)送警報信號ALERT，以實現(xiàn)過熱保護。

4 實驗結果

為了驗證該款芯片的功能是否滿足無人機電源均衡保護的需求，取18節(jié)單體電池作為一個電池組。圖3為該款芯片的配套軟件，通過該軟件可以直接設定單體電池的過壓、欠壓、過熱等閾值參數(shù)。并且直接讀取被測電池組的單體電壓和環(huán)境溫度。由圖3可知，該電池組的單體電池cell1的電壓高于其他單體電池電壓，此時該節(jié)電池的放電開關導通。

圖3 均衡前各電池電壓值

由圖4可以看出，經(jīng)過一段時間放電后，單體電池cell1的電壓與其它電池一致，避免了電池的過充電和其它電池的過放電。

圖4 均衡后各電池電壓值

為了更直觀的觀察被測單體電池電壓在一段時間內(nèi)的變化情況，可以通過該軟件得到各單體電池的電壓變化曲線，如圖5所示。

5 結論

通過實驗驗證了該電路能夠有效地減小各電池間的電壓差值，避免了部分電池的過放電和個別電池的過充電，達到了延長電池使用壽命的目的。同時通過簡單的參數(shù)設定，該電路可以適用于其它類型的電池組，方便可靠。

本文創(chuàng)新點：提出以較少數(shù)量的電源管理芯片BQ76pl536為無人機提供電源均衡解決方案，與以往采用多個分立的電源芯片提供的電源均衡解決方案相比：BQ76pl536占用更少的空間，消耗更少的能量和更為靈活方便的電壓監(jiān)測，高精度的電壓測量為剩余電量的精確計算提供了保證。

[1] 孫玉潔,蘇宛新.TPS65023在多電壓便攜式產(chǎn)品中的應用[J].電源技術,2009,25(4):173-175.

[2] 何仕品,朱建新.鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設計與研究[J].汽車工程,2009,31(5):444-447.

[3] 邊延凱,賈瑞慶,田爽.鋰離子電池組的均衡控制與設計[J].東北電力大學學報,2006,26(2):69-72.