基于BQ24105的充電管理電路在物探儀器中的應用

徐晶

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077)

0 引言

適用于煤礦井下安全程度為“ib”的物探儀器設備的電池組作為非本安端子不能直接引出儀器，一般儀器表面的充電接口須串聯2級二極管與電池組相連。傳統的外部充電器由于不能直接與電池組連接，不能實現電池組參數如電池電壓、電池組溫度的精準測量，影響儀器鋰電池充電的安全性。我們提出將基于充電管理芯片的充電方案應用于物探儀器，采用充電管理芯片的充電方案實質是將物探儀器常用的充電器中充電管理功能放入物探儀器內部與電池組直接相連從而提高整個充電過程的安全性。

圖1 典型的充電曲線

1 BQ24105的工作原理

BQ24105是一款內部集成了功率場效應管的同步開關鋰電池充電管理芯片，其主要特性有：（1）內部集成的功率場效應管可支持2A的充電電流；（2）高精度的電壓和電流調節；（3）可獨立實現充電管理控制，也可以在系統控制下工作；（4）狀態輸出可直接驅動led進行顯示，也可連接主機處理器接口傳遞狀態信息；（5）電池溫度實時監測；（6）熱關斷、熱保護。

BQ24105采用傳統的恒流恒壓模式對電池組進行充電，其典型的充電曲線如圖1所示，其中實線為電流/時間曲線，虛線為電壓/時間曲線。在充電開始之前，BQ24105內部集成的電池檢測方案自動檢測到電池組是否連接，當確認電池組連接時，BQ24105進入充電階段。圖1 所示的充電曲線包含了預充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段三個階段，在實際使用中BQ24105會根據電池組的電壓確定充電過程從哪個階段開始。

2 基于BQ24105的本安充電管理電路設計

2.1 電路設計

考慮到物探儀器的多樣性，設計采用BQ24105獨立充電模式，充電電壓、充電電流、預充電電流、充電安全時間均為可調節參數以適應不同儀器的充電需求。根據《GB3836.1-2010爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分：通用要求》，煤礦井下使用的本質安全電路屬于“ib” 等級，其本質安全電路需要同時設置兩級保護電路。圖2所示電路中D1和D2為兩個阻塞二極管，二者串聯構成兩級保護，防止電池組作為非本安電源直接引出儀器，保證了充電回路的本質安全性。D4、D5、D6為狀態顯示燈，分別采用藍色LED、紅色LED、綠色LED以區分不同狀態。C5為安全時間設置電容，按照公式(1)對電容值進行計算，其中tCHARGE為充電時間；R9、R10、R11、R12用于充電電壓設置，按照公式(2)選取合適的電阻值，R10、R12分別和R9和R12并聯，可以提高充電電壓的設置精度；R1、R5、R6用于充電電流設置，按照公式(3)、 (4) 、(5)選取合適的電阻值。

圖2 本安型充電管理電路

R7、R8用于充電溫度區域設置，按照公式(6)和公式(7)選取合適的電阻值，其中RTH、RT1分別為熱敏電阻的低溫閾值的電阻值和高溫閾值的電阻值，其余參數可以在BQ24105的數據手冊中查找。

2.2 實驗測試

針對兩串的磷酸鐵鋰電池組（6.4V/9Ah）設計充電管理電路，首先確定充電電路參數：充電電壓為7.2V、充電電流2A、預充電電流和充電截止電流為200mA；然后根據公式計算電路中電容、電阻值，具體值如圖2所示。

隨機挑選出10塊充電管理電路分別對10組磷酸鐵鋰電池組（6.4V/9Ah）進行充電，其中Vin端口輸入電壓為9V。實測關鍵參數：充電電流、充電電壓和充電完成后的放電容量，測試數據如表1所示。

表1 充電電路板的實測參數值

充電電流實測值與設置值之間最大偏差為3.4%，充電電壓實測值與設置值之間最大偏差0.33%，充電完成后的放電容量測試全部大于等于9Ah，可以滿足儀器實際充電需求。

3 總結

本文提出將智能設備的充電管理芯片引入物探儀器設備中進行充電管理，基于充電管理芯片的充電方案采用恒壓恒流的方式完成鋰電池組充電，相比外部充電器增加了預充電、高低溫充電保護等功能，在提高鋰電池充電的安全性的同時也極大的延長了鋰電池的循環壽命。

參考文獻

[1]李江全，任玲.LabVIEW虛擬儀器——從入門到測控應用130例[M].北京:電子工業出版社，2014.