微型PSA制氧機電池智能管理系統設計

劉志猛，朱孟府，陳 平 ，鄧 橙 ，苑英海，宿紅波

（軍事醫學科學院 衛 生裝備研究所，天津 3 00161）

微型變壓吸附(PSA)制氧機在醫療保健、家庭氧療、戶外運動用氧等領域應用廣泛和巨大的市場需求[1]。目前，普通家用變壓吸附制氧機體積大、重量重、電源適應性差，不便于攜帶，只能適合家庭室內使用，對渴望自由活動而又不影響正常吸氧的人們帶來很大問題[2]。微型制氧機體積小、重量輕、自帶電源，可有效解決人們隨時隨地吸氧的需求[3]。微型制氧機大多采用鋰電池作為動力來源，由于鋰電池的特殊性，對鋰電池的智能管理是制氧機設計時必須考慮的問題[4]。因此，為了實現鋰電池充供電的智能管理和電池狀態的準確檢測，本文以C8051F310為控制核心，結合CN3704和DS2438芯片對鋰電池的智能管理系統進行設計，以便有效提高電池的使用安全性，延長鋰電池的使用壽命，為微型制氧機的便攜使用提供電源保證。

1 總體方案設計

1.1 鋰電池特性

制氧機選取的壓縮機額定電壓為DC12 V，額定功率為60 W，為了達到額定功率的要求，以及受制氧機重量和尺寸的限制，選用單節容量為2 500 mAh、標稱電壓為3.7 V的鋰電池，其充電電壓最高為4.2 V，采用4節串聯。為了延長制氧機的工作時間，增加電池容量，把兩組4節串聯的電池并聯在一起，組成端電壓為12～16.8 V、容量為5 000 mAh的電池組。單節鋰電池的工作電壓為3.7 V，其對充電電壓要求比較嚴格[5]，圖1為鋰電池充電特性曲線，其充電電壓范圍是2.75～4.2 V。由于鋰電池具有較大的內阻，大電流放電或充電都會導致電池迅速升溫，超出其額定功率，有失效、漏液甚至有爆炸的危險，因此，設計合理的管理系統對鋰電池的安全使用和延長使用時間具有非常重要的作用。

圖1 鋰電池充電特性曲線Fig.1 Charging curve of lithium battery

1.2 系統結構框架

系統以C8051F310單片機為控制核心，對電池的充電管理采用集成脈寬調制芯片CN3704及其外圍電路進行智能控制；利用DS2438智能電池監測芯片對電池的電流、電壓、溫度以及剩余電量進行測量，并與單片機通訊。單片機處理DS2438測量的數據并通過液晶屏準確顯示電池的電量、電壓和溫度等狀態信息，當電池的狀態異常時，通過蜂鳴器報警并在液晶屏上提示相應的信息。由于制氧機的工作電壓為12 V，當檢測到電池電壓低于12 V時，切斷負載電源。系統結構由充電模塊、監測模塊、控制模塊及外圍電路組成，本系統的總體結構如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 充電電路

圖2 系統總體框圖Fig．2 Generalblock diagram of the system

系統充電電路由鋰電池充電管理芯片CN3704及其外圍電路組成。CN3704為16引腳脈沖寬度調制 (pulse width modulation，PWM)降壓模式的充電管理芯片，可以自動管理4節鋰電池的充電過程，其輸入電壓范圍為7．5～28 V，充電電流可達5～8 A，工作環境溫度為－40～85℃，包括恒壓、恒流兩種充電模式，具有過壓、過流和短路保護的能力，而且具有封裝外形小、外圍元器件少和使用簡單等優點，特別適用于微型制氧機的電池管理[6]。以CN3704為核心的充電控制電路如圖3所示。

圖3 充電控制電路Fig．3 Control circuit of charging system

圖中Q5為P溝道MOS場效應晶體管，選輸出電壓為19 V、額定電流為4 A的適配器為電池組充電，當接入適配器且電池組電壓不足16 V時，DRV管腳輸出低電平，Q5導通，電池組充電。由于充電電流為內部基準電壓0．2 V與采樣電阻R12的比值，選取的適配器額定電流為4 A，則R12為0．05 Ω。由于電池組并聯，所以每個電池組以2 A左右的電流恒流充電，電池組電壓逐漸上升，充電時CHRG引腳輸出低電平，DONE引腳輸出高電平，D10亮，D9滅；當電池組電壓達到16．8 V時，以16．8 V對電池恒壓充電，充電電流逐漸減小，當充電電流減小到電阻R20的設置值時，DRV管腳輸出高電平，Q5關斷，充電結束，D10滅，D9亮。當停止充電時，CN3704自動進入睡眠模式，內部電路斷開，從而延長待機時間。TEMP管腳接一個負溫度系數的熱敏電阻R19，若電池溫度過高，Q5關閉，停止充電。同時在R19兩端并聯一個NPN三極管Q6，充電時，電池監測芯片DS2438檢測電池的狀態并通知單片機，當電池出現過溫、過壓、過流等異常狀況時，P0．1輸出高電平，三極管Q6導通，TEMP引腳拉低至0 V，Q5斷開，切斷充電回路，實現了電池充電過程的雙重保護。

2.2 供電選擇電路

接入適配器后，若制氧機繼續工作，則應選擇外部電源作為供電電源，其供電選擇電路如圖4所示。當外部電源無輸入時，P溝道MOS管的柵極為0 V，源極接電池正極，VDS小于MOS的導通電壓，Q2導通，負載由電池供電；當外部電源接入，MOS管的柵極為VDC+，VDS大于MOS管的導通電壓，Q2截止，負載由外部電源供電。壓縮機的工作電壓為12 V，所以D3選用13 V的穩壓二極管穩壓。由于前段的電壓經過電阻R2和穩壓管D3后，電流會非常弱小，為了保證壓縮機的正常運行，至少需要提供5 A以上的電流，因此在穩壓管后接一個電流放大的NPN三極管，以保證制氧機的正常運行。由于三極管的導通需要0．7 V的壓降，所以電壓經過穩壓管D3和三極管Q1后，會在PAC+端得到穩定的12．3 V的電壓。

圖4 供電選擇電路Fig.4 Selection circuit of power supply system

2.3 狀態管理電路

電池狀態的實時監測與管理見圖5，應用DALLAS公司的智能鋰電池監測芯片DS2438及其外圍電路完成。DS2438具有體積小、功能強、接線簡單等優點，將DS2438緊貼在電池表面能實現對電池溫度、電壓、電流以及電量的測量[10]。DS2438采用了1-Wire標準協議進行通信，與單片機只需通過DQ端口即可通訊，單片機接收DQ端口傳輸的數據并做出相應的處理。

圖5 電池狀態監測電路Fig.5 Monitor circuit ofbattery conditions

DS2438的工作電壓為2.4～10 V，而電池組和外部電源的電壓均高于10 V，所以D4、D5均選用5.6 V的穩壓二極管。電池組的最高電壓為16.8 V，而DS2438的電壓測量范圍為0～10 V，所以在DS2438前增加 1:2的分壓電阻，則R7為10 kΩ，R6為20 kΩ。為了不影響電池的正常使用，選擇精度高、阻抗小的電阻用于電流的測量，設計采用R8為0.05 Ω的精密電阻，R5和C1構成低通濾波器，對信號的尖峰干擾進行濾波處理。對負載的控制開關采用N溝道的MOS管和NPN三極管。正常情況下，P0.2輸出低電平時，三極管Q4不導通，MOS管Q3的柵極為高電平，MOS管導通，制氧機正常工作；當電池電壓低于12 V或者溫度、電流超過電池允許的范圍時，P0.2輸出高電平時，三極管Q4導通，MOS管Q3的柵極電壓為0 V，MOS管關斷，切斷負載。

DS2438能測量電池的電壓、電流、溫度等狀態信息，其內部集成了溫度傳感器，測量范圍為-55～125℃，精度為0.031 25℃，能自動測量電池的溫度。當DS2438收到單片機發出的采集電壓命令時，內部集成的10bit的ADC工作，通過VAD端測得電池的電壓。每27.46 ms測量一次采樣電阻R8兩端的電壓來檢測流經電池的電流。流經電池的電流IBAT由公式(1)得出：

其中，ICR為DS2438內部電流寄存器Current Register的值；R8為采樣電阻，單位為Ω。

在電池工作過程中，電池的剩余電量能夠更好地反映電池當前的工作狀態，保證制氧機正常有序運行。電池剩余電量的準確監測在整個電池管理系統中至關重要，所以采用開路電壓法和安時積分法相結合的方法來估算鋰電池組剩余電量。當鋰電池組在非工作狀態時，由于電池電量和開路電壓有對應關系，采用開路電壓法來確定電池的剩余電量；當電池處于工作狀態時，利用安時積分法計算電量的變化，從而得出剩余電量。由于DS2438內部集成了電流累加器(Integrated Current Accumulator簡稱ICA)，ICA是一個8位的二進制計數器，累計計算流入和流出電池組的電流值，可通過ICA的值IICA由公式（2）計算出電池的剩余電量URC。

3 軟件設計

軟件設計的任務是通過DS2438芯片完成檢測電池的電壓、電流、溫度和剩余電量，并與單片機建立通訊，單片機分析測得的參數，通過液晶屏顯示測得的參數。當電池狀態出現異常時，切斷電池的充電或供電回路并通過蜂鳴器和液晶屏報警提示。由于DS2438和CN3704具有非常強大的狀態監測和充電保護功能，DS2438與單片機之間只需要進行相關通信即可反映電池的狀態信息；CN3704芯片和單片機的雙重保護，可大大加強充電系統的安全性和可靠性。系統編程采用C語言的模塊化程序設計，包括主控制程序、數據采集處理程序和液晶顯示程序，其中主程序流程如圖6所示。

圖6 主控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of the main control program

4 結論

以C8051F310為控制核心，結合CN3704和DS2438芯片設計的微型PSA制氧機電池智能管理系統，可有效進行智能充供電控制和電池狀態監測，通過液晶屏顯示電池的電壓、電流、溫度和電量等狀態信息，實現了鋰電池過充、過放、過流和短路保護，具有蜂鳴器故障報警和信息提示的功能。微型PSA制氧機電池智能管理系統硬件電路簡單、運行安全可靠、智能化程度高，有利于延長鋰電池的使用壽命，擴展了微型制氧機的使用范圍，對微型設備鋰電池的管理提供了借鑒。

[1]朱孟府,王興鵬,鄧橙,等.醫用氧變壓吸附制備工藝研究進展[J].醫療衛生裝備,2013,34(10):72-74.ZHU Meng-fu,WANG Xing-peng,DENG Cheng,et al.Progress of medical oxygen production by pressure swing adsorption process[J].Chinese Medical Equipment Journal,2013,34(10):72-74.

[2]卜令兵,劉應書.微型變壓吸附制氧研究[J].醫療衛生裝備,2006,1(26):14-16.BU Ling-bing,LIU Ying-shu.Study on miniature pressure swing adsorption oxygen generation[J].Chinese Medical E-quipment Journal,2006,1(26):14-16.

[3]劉應書,張輝,劉文海,等.缺氧環境微型制氧供氧技術[M].北京:冶金工業出版社.2010.

[4]程預江.鋰電池:應用與實踐[M].北京:化學工業出版社.2004.

[5]曹金亮,陳修強,張春光,等.鋰電池最新研究進展[J].電源技術,2013,37(8):1460-1463.CAO Jin-liang,CHEN Xiu-qiang,ZHANG Chun-guang,et al.Latest research progress of lithium batteries[J].Chinese Journal of Power Sources,2013,37(8):1460-1463.

[6]陳平,朱孟府,鄧橙,等.便攜式制氧機研制[J].醫療衛生裝備,2013,34(10):77-79.CHEN Ping,ZHU Meng-fu,DENG Cheng,et al.Development of portable oxygen concentrator[J].Chinese Medical Equipment Journal,2013,34(10):77-79.