18650電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡兆坤，安沙沙，瑚 琦

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

0 引 言

在智能設(shè)備越來越普及的環(huán)境下，其對(duì)電源的安全性要求也越來越高。為了更好地滿足基于Android系統(tǒng)的手持式光譜儀的供電需求，設(shè)計(jì)了該光譜儀供電電源管理方案。

該方案用STM32Fxx主控制器作為通訊主機(jī)，選取TI公司的BQ29412電源保護(hù)芯片和BQ3050電源管理芯片。BQ3050采用兩級(jí)安全保護(hù)方案，電量測(cè)量誤差在1%左右，可自由選擇是否用LED實(shí)時(shí)指示電源電量、電量偏低警告、溫度過高警告、過壓和過流警告等，能隨時(shí)把電源的安全狀況和電量使用情況告知用戶，方便用戶合理使用電源。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括安全保護(hù)、電量測(cè)量和通訊三部分，其中安全保護(hù)分為一級(jí)安全保護(hù)和二級(jí)安全保護(hù)，BQ3050采用CEDV算法測(cè)量電池電量，圖1是智能電源系統(tǒng)框圖。

圖1 智能電源系統(tǒng)框圖

1.1 安全保護(hù)

一級(jí)安全保護(hù)：檢測(cè)電阻實(shí)時(shí)測(cè)量電路中電流，實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓保護(hù)、充放電過流保護(hù)和短路保護(hù)。溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電源內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的充放電過溫保護(hù)。

二級(jí)安全保護(hù)：BQ29412實(shí)現(xiàn)過壓安全保護(hù)，充放電過流安全保護(hù)、充放電和預(yù)充電故障保護(hù)、電池平衡監(jiān)測(cè)、寄存器故障和通訊故障監(jiān)測(cè)等。

1.2 電量測(cè)量

BQ3050測(cè)量電量容量達(dá)到32 Ah，根據(jù)溫度評(píng)估計(jì)量任何時(shí)間RM（剩余有效電量）。電容平衡法充電，根據(jù)電阻跟蹤算法，充放電情況及自放電速率，計(jì)算出當(dāng)前電源的剩余電量。

1.3 通 訊

BQ3050的設(shè)備地址是0X16，采用SMBus通訊協(xié)議，SMBus是一種串行數(shù)據(jù)總線，兼容I2C總線，當(dāng)SMBC和SMBD的邏輯低電平持續(xù)時(shí)間大于2 s時(shí)，BQ3050會(huì)監(jiān)測(cè)到SMBus是關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)SMBC和SMBD的邏輯低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦邥r(shí)，高電平時(shí)間小于1 s，則通訊狀態(tài)是有效的。系統(tǒng)控制器對(duì)接口的讀寫操作都是以字節(jié)為單位的，由SMBus接口自動(dòng)控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，SMBus通訊時(shí)序圖如圖2。

圖2 SMBus通訊時(shí)序圖

2 電源管理

BQ3050采用了經(jīng)SHA－1認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證的“電阻跟蹤算法”，算法綜合了充放電電壓、電流、自放電速率和電池溫度等因素，計(jì)算出當(dāng)前電源的剩余電量。

2.1 電芯選擇

鋰離子電池具有電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬以及安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此選擇18650鋰電池作為電源管理系統(tǒng)的電芯。

單節(jié)16850電池輸出3.7 V，最大4.2 V，為了滿足常用便攜設(shè)備供電需求，電池組設(shè)定為兩并兩串，輸出電壓7.4 V，最大輸出電壓8.4 V，芯片內(nèi)部有三個(gè)工作溫度梯度的只讀寄存器，溫度閾值為T1、T2、T3，環(huán)境溫度為T，電源工作溫度范圍為－40～＋70℃，電源正常工作溫度：

主機(jī)可以實(shí)時(shí)讀取電池所處環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度在低于T1下限或高于T上線時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)切斷電池的充放電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)。

2.2 電量計(jì)量算法

BQ3050有兩個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，兩個(gè)外部溫度傳感器，監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)外的溫度變化。充電時(shí)，在單節(jié)電池平均電壓低于電壓設(shè)定值時(shí)，電池進(jìn)入預(yù)充電模式，此時(shí)充電電流應(yīng)調(diào)整為250 mA，并維持這個(gè)充電電流直到電池電壓高于設(shè)定值，然后電池進(jìn)入正常充電模式。

BQ3050電量測(cè)量采用阻抗跟蹤測(cè)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)建模算法，能夠?qū)W習(xí)在老化條件下的電池特性，可以對(duì)負(fù)載和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，得到精確的建模，合理評(píng)估電池的自放電電量，自放電速率對(duì)應(yīng)表格如表3。

表3 自放電速率

Temp是電源當(dāng)前的工作環(huán)境溫度，Y是可編程賦值的8位寄存器，SELF－DISCHARGE－RATE是電源的自放電速率，也是可編程的，Self－Discharge Rate（自放電速率）計(jì)算公式：

BQ3050根據(jù)充放電情況和自放電情況，調(diào)整RM（剩余電量），RM寄存器是可通過SMBus接口訪問讀取的，DCR（放電計(jì)量寄存器）可以追蹤電池的放電情況，BQ3050用DCR寄存器更新FCC（滿電量容量寄存器），F(xiàn)CC更新算法：

EVD2是可以通過編程設(shè)置的終止放電電壓閾值，系統(tǒng)也可以根據(jù)電源容量、溫度和放電負(fù)載給出相應(yīng)的匹配值，Battery＿Low%是可編程設(shè)置的電源低電量值，如果電壓閾值（EVD2）未達(dá)到，而剩余電量狀態(tài)值已達(dá)到Battery＿Low%，要等待電壓達(dá)到電壓閾值才終止放電。

3 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案使用STM32F4xx高級(jí)單片機(jī)作為通訊主機(jī)，主機(jī)根據(jù)SMBus讀寫時(shí)序，向BQ3050寄存器發(fā)送指令，寫入適合方案需要的各個(gè)參數(shù)，或讀取所需要的寄存器數(shù)據(jù)，供實(shí)驗(yàn)參考和上位機(jī)使用。

單片機(jī)進(jìn)行寫操作時(shí)，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位，即一個(gè)字節(jié)），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。被選中的存儲(chǔ)器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)作為響應(yīng)，單片機(jī)收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了如圖3。

圖3 單片機(jī)寫操作

單片機(jī)進(jìn)行讀操作時(shí)，先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”，發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。被選中的存儲(chǔ)器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)作為響應(yīng)。當(dāng)最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀完后，單片機(jī)應(yīng)返回以“非應(yīng)答”（高電平），并發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束讀出操作如圖4。

圖4 單片機(jī)讀操作

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

利用電子儀表測(cè)試智能電池系統(tǒng)硬件電路的各關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)的電壓，包括輸出電壓，均在合理范圍內(nèi)。加載和卸載負(fù)載，各指示燈指示正常，當(dāng)電量低于10%時(shí)，一個(gè)指示燈閃爍警告，當(dāng)電量充滿至100%時(shí)，所有5個(gè)指示燈亮，利用上位機(jī)評(píng)估軟件，數(shù)據(jù)Flash寫入和讀出都正常。

5 小 結(jié)

該方案經(jīng)重復(fù)性測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)保護(hù)電路工作異常問題，電壓測(cè)試點(diǎn)正常，恒流輸出穩(wěn)定，具有安全性好，電量測(cè)量精度高、集成度高，只占用極小的PCB版圖即可實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)和電源管理，有兩級(jí)電池安全預(yù)警措施和前沿的電阻跟蹤算法。

該方案不足之處，忽略了電磁干擾對(duì)微弱電流信號(hào)和焊接點(diǎn)極間電容對(duì)微弱檢測(cè)信號(hào)的干擾，還有待改善?？傮w來說，該方案滿足了手持式光譜儀需求，在高安全性便攜式電源、光學(xué)儀器，及其他儀器儀表中也有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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