基于BQ76PL536的均衡系统设计

李峰，张一鸣，陈贺娜

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124）

科学技术的飞速发展，微电子、微机械、新材料、新工艺等领域不断取得的技术进步和突破，为现代无人机的发展奠定了技术基础。军事和农业等方面对无人机的大量需求，又形成了推动无人机发展的强劲动力。因此，现代无人机的兴起，是发展的必然趋势，其研究已经成为世界航天技术研究的热点。

无人机的各个系统中，电源系统是关键系统之一，它为无人机的其它系统和有效载荷提供电能。电池寿命的长短直接影响无人机的飞行时间。因此，为了进一步增加无人机续航能力，需要在电源中增加均衡系统以延长其使用寿命。

1 均衡设计所要解决的主要问题

现代无人机所承载的电子设备越来越多，飞行时间也越来越长，对电源的续航时间提出了更高的要求。同时由于无人机本身空间和搭载的质量有限，要求电源质量轻，续航时间长。为保证各系统和负载稳定高效地工作，电源均衡部分的设计应该从以下几个角度考虑[1]：

(1)从功能角度考虑：精确的单体电压测量是整个电池管理系统的核心，为均衡功能的顺利实现提供基础，同时为电源管理系统中剩余电量的精确计算提供了保证。

(2)从能量角度考虑：芯片本身损耗须更低，具备待机功能；并可根据不同电池特性，重新设定相应的参数，方便用户操作，并能够观测各个电池的状态参数。

(3)从产品的形状因子角度考虑：单个芯片须同时测量多个电池，以减少芯片数量。同时要求芯片自身具备小的封装形式，芯片需要的外围元件数量也要尽量少，尺寸尽量小，以节省板级空间。

2 均衡原理

当一组电池串联使用时，由于电池存在个体差异，在终止放电后各电池的终止电压并不完全相等。当对这样一组串联电池进行充电时，也只测量串联后的电池组的电压作为终止充电电压，这样会造成部分电池充电不足而个别电池过度充电。虽然新的电池组个体差异不大，但是由于这种个体差异在电池组充电时会经过多次积累，最终造成个别电池过早的损坏进而造成整组电池的报废，甚至个别电池充电时会发生爆炸，因此需要对电池组进行均衡保护[2]。

图1是电池均衡电路工作原理示意图，其中B1，B2，……，B n是一组串联的电池，Q1，Q2，……，Q n是可控的放电开关，电阻R1，R2，……，R n为放电电阻，用来给需要放电的电池放电。芯片读取各个电池电压并比较，找到最低电压以后，以该电池电压为基准对其它电池进行放电，并在放电的过程中不断地测量电池的电压，当放电电池的电压等于基准电压后就停止对这个电池放电，当所有电池的电压都等于基准电压值后，停止这个电池组的放电[3]。

3 硬件设计

BQ76pl536电池管理芯片由精确的模拟数字转换器（ADC）、独立的供电单元电压及温度保护、电池均衡、以及一个精确的5 V低压差线性稳压器（LDO）组成。适用于电池供电的场合中，其特点如下：

（1）一片可同时连接6节电池，通过简单级联，最多可同时测试192节电池；

（2）具有9个14位高精度、高转换速率的ADC；

（3）具有低功耗以及均衡、过压、欠压、过热等保护功能；

（4）具有高速的数据通信接口SPI；

（5）专用集成开发环境，提供芯片配置向导，方便用户配置寄存器参数。

利用该芯片所设计的均衡器电路原理图，如图2所示。该电路可以与6节以上单体电池构成的电池组相连接。图中R1，R2，……，R6分别为电池的放电电阻，可以对被放电电池以500mA的电流进行放电，Q1，Q2，……，Q6为P沟道增强型场效应管，作为放电控制开关用来控制各单体电池放电。芯片可直接由被测电池组供电，供电范围5～36 V，并且芯片的各个端口能够承受的最大电压为36 V，因此不需要经过分压来实现电平的匹配。图2中可以看到Q1，Q2，……，Q6的栅极通过电阻直接与芯片相连。芯片通过简单的非隔离级联，就可以同时测试6节以上电池电压。

芯片的保护功能主要包括电池过压保护、电池过放电保护以及温度过高保护。

（1）电池过压保护。BQ76pl536芯片监测各个单体电池电压，并与设定的电压相比较，若超过设定电压并且持续一段时间后，则启动相应的放电开关，直到实际电压降至设定电压范围以内，放电开关关闭。

（2）电池的过放电保护。先通过设置寄存器CFG_CUV设置电池的过放电阈值，通过配套软件可以直接写入数值。然后比较电池电压与过放电阈值的大小，若电池电压小于过放电阈值，则相对应电池的状态寄存器CUV_FAULT的状态发生改变，并发送警报信号ALERT，以实现过放电保护。

（3）过热保护。温度阈值可根据实际情况自行设定，当温度超过设定值，则温度状态寄存器OT1，OT2的状态发生改变，并发送警报信号ALERT，以实现过热保护。

4 实验结果

为了验证该款芯片的功能是否满足无人机电源均衡保护的需求，取18节单体电池作为一个电池组。图3为该款芯片的配套软件，通过该软件可以直接设定单体电池的过压、欠压、过热等阈值参数。并且直接读取被测电池组的单体电压和环境温度。由图3可知，该电池组的单体电池cell1的电压高于其他单体电池电压，此时该节电池的放电开关导通。

图3 均衡前各电池电压值

由图4可以看出，经过一段时间放电后，单体电池cell1的电压与其它电池一致，避免了电池的过充电和其它电池的过放电。

图4 均衡后各电池电压值

为了更直观的观察被测单体电池电压在一段时间内的变化情况，可以通过该软件得到各单体电池的电压变化曲线，如图5所示。

5 结论

通过实验验证了该电路能够有效地减小各电池间的电压差值，避免了部分电池的过放电和个别电池的过充电，达到了延长电池使用寿命的目的。同时通过简单的参数设定，该电路可以适用于其它类型的电池组，方便可靠。

本文创新点：提出以较少数量的电源管理芯片BQ76pl536为无人机提供电源均衡解决方案，与以往采用多个分立的电源芯片提供的电源均衡解决方案相比：BQ76pl536占用更少的空间，消耗更少的能量和更为灵活方便的电压监测，高精度的电压测量为剩余电量的精确计算提供了保证。

[1] 孙玉洁,苏宛新.TPS65023在多电压便携式产品中的应用[J].电源技术,2009,25(4):173-175.

[2] 何仕品,朱建新.锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究[J].汽车工程,2009,31(5):444-447.

[3] 边延凯,贾瑞庆,田爽.锂离子电池组的均衡控制与设计[J].东北电力大学学报,2006,26(2):69-72.