野外測(cè)試儀可充電電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張佐東，王藝瑾，李芷薇，李巧藝

（重慶第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶，400065）

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括以下5個(gè)部分： （1）AC適配器：采用市售通用20V/90W AC適配器。（2）充電電路：采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構(gòu)成，可對(duì)4節(jié)10AH串聯(lián)鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動(dòng)選擇AC適配器或電池進(jìn)行系統(tǒng)供電，充電管理可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。（3）轉(zhuǎn)換電路：采用TI的TPS40132將系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓輸出，每路電流5A。（4）鋰電池組：采用4節(jié)10AH鋰電池串聯(lián)，內(nèi)部包含過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及過(guò)熱保護(hù)電路。（5）狀態(tài)指示及電量顯示：采用Atmel ATmega32單片機(jī)進(jìn)行控制。可以對(duì)充電、充滿、保護(hù)等狀態(tài)進(jìn)行指示。通過(guò)I2C總線控制充電管理芯片，對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)來(lái)獲取電量信息，然后通過(guò)兩位LED數(shù)碼管進(jìn)行電量顯示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

1.2　硬件設(shè)計(jì)

1.2.1充電電路

采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構(gòu)成，可對(duì)4節(jié)10AH串聯(lián)鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動(dòng)選擇AC適配器或電池進(jìn)行系統(tǒng)供電，充電管理可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。

BQ24735是TI公司推出的一款高效率同步電池充電芯片，主要應(yīng)用于空間有限的便攜設(shè)備中，具有過(guò)載電壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電池、感應(yīng)器和MOSFET短路保護(hù)的增強(qiáng)型安全特性。當(dāng)系統(tǒng)供電需求暫時(shí)高于適配器最大供電水平的時(shí)候，BQ24735使用智能加速技術(shù)來(lái)允許電池向系統(tǒng)中釋放能量，以此來(lái)保護(hù)適配器不被損壞。另外，BQ24735可以使用內(nèi)部輸入電流寄存器或者外部ILIM引腳來(lái)減緩PWM調(diào)制速度，從而減小充電電流。芯片典型應(yīng)用電路如圖2所示。

1.2.2轉(zhuǎn)換電路

采用TI的TPS40132芯片將系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓、每路5A電流輸出。

TPS40132是一款雙通道多相控制器，主要用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、電信設(shè)備、直流電源分布式系統(tǒng)等。該芯片具有如下特性：支持5V DC輸出；可通過(guò)電阻分壓器設(shè)置輸出過(guò)壓閾值；支持電阻或電感DCR電流檢測(cè)；可提供6位數(shù)字控制；

圖2　BQ24735典型應(yīng)用電路

圖3　TPS40132簡(jiǎn)單應(yīng)用電路

1.2.3控制器

使用Atmel ATmega32單片機(jī)作為控制器，通過(guò)I2C總線控制充電管理芯片。

ATmega32單片機(jī)是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機(jī)。其特性為：具有32K字節(jié)的可編程 Flash、2K字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和1024個(gè)字節(jié)的可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；包含JTAG、SPI、USART接口；擁有兩個(gè)分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；具有四個(gè)通道的PWM輸出、8路10位ADC和32個(gè)可編程I/O接口；低功耗、最高工作頻率為16MHz。

1.2.4狀態(tài)指示及電量顯示

采用Atmel ATmega32單片機(jī)進(jìn)行控制。可以對(duì)充電、充滿、保護(hù)等狀態(tài)進(jìn)行指示。通過(guò)I2C總線控制充電管理芯片，對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)來(lái)獲取電量信息，然后通過(guò)兩位LED數(shù)碼管進(jìn)行電量顯示。

開(kāi)機(jī)時(shí)，用戶打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，LED數(shù)碼管顯示ON，隨后顯示數(shù)字（即電池電量，顯示范圍為00-99，單位為%），同時(shí)5V OK、電源、輸出3個(gè)綠色指示燈亮起，說(shuō)明此時(shí)由電池供電，且電池工作正常，5V輸出正常。如果電池電壓過(guò)低，則紅色告警指示燈亮起，5V輸出斷開(kāi)，此時(shí)需要接入充電器才能正常工作。

圖4　ATmega32單片機(jī)結(jié)構(gòu)

進(jìn)行充電時(shí)，插入充電器后，充電指示燈亮起，說(shuō)明電池正在充電，同時(shí)充電器提供對(duì)5V輸出的供電。電池充滿后，充滿指示燈亮起，同時(shí)充電指示燈熄滅，系統(tǒng)自動(dòng)停止對(duì)電池充電，充電器還將繼續(xù)提供對(duì)5V輸出的供電。

保護(hù)狀態(tài)分為以下幾種情況：當(dāng)電池供電時(shí)，如果電量低，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開(kāi)。在插入充電器后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。當(dāng)電池供電時(shí)，如果電池溫度過(guò)高，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開(kāi)。在電池溫度正常后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。當(dāng)電池充電時(shí)，如果電池溫度過(guò)高，則告警指示燈亮起，系統(tǒng)停止充電，5V輸出由充電器提供。在電池溫度正常后，系統(tǒng)再次恢復(fù)充電。

2　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)野外測(cè)試儀器應(yīng)用的實(shí)際需求和可充電電池方便、簡(jiǎn)潔、安全、高效的使用要求，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于野外測(cè)試儀器的可充電電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有充放電狀態(tài)自動(dòng)切換、過(guò)充過(guò)放保護(hù)、最大充電電流限制、溫度保護(hù)等功能，并且可進(jìn)行剩余容量估計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率為0.52%，10A電流輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為95%，達(dá)到了預(yù)期技術(shù)要求，儀器工作期間，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。