便携式仪器锂电池管理系统的设计与研制

李 婷，王 玮，段金松，麻金龙，张兆山，梁树红

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

随着电子技术的发展，便携式仪器在地质找矿、地质勘查、辐射监测和防护等方面具有重要应用。稳定的系统工作、恶劣的野外环境甚至长期连续的监测方式对电源要求越来越高。锂离子电池作为一种新型的绿色能源，因自放电小、电压高、比容量大、质量轻、无污染等优点被广泛应用于便携式仪器、卫星、储备电源等领域［1-2］。为充分发挥其性能，延长锂电池使用寿命，需结合电池管理系统（Battery Managemen System，BMS）对锂电池进行管理［3］。目前，国内外关于锂电池管理系统的研究已取得较大进展。黎林等［4］以纯电动汽车锂电池管理系统为研究目标，从锂电池电荷状态（State Of Charge，SOC）监测、热管理、电池组的绝缘检测和充电模式四个方面提出了管理决策；乔思洁等［5］分析了锂电池工作特性，建立了SOC模型，在实际估算中采用了安时积分和开路电压相结合的方法，并引入必要的补偿，实现了较准确的SOC估算；毛龙［6］等设计了基于并联方式的分布式模块化锂电池管理系统，解决了并联电池包之间的环流问题。关于锂电池管理系统的设计应用研究大多集中于电动汽车领域，且设计系统庞大、算法复杂、不适用于便携式仪器。本文针对地质勘查、辐射监测场合的特殊性及便携式勘查仪器的结构特性，设计配套的锂电池管理系统，实现重要参数的实时监测与评估，以期延长电池安全使用寿命及工作时间，为仪器各工作模块提供稳定、长效的供电基础。

1 总体方案设计

图1 系统设计原理框图Fig.1 Block diagram of system design

便携式仪器锂电池管理系统设计原理如图1所示，主要由锂电池组、电源管理芯片及外围参数信息检测电路、充放电控制电路等三部分组成。选用三片标称容量为7 000 mAh±5%，标称电压为3.7 V的聚合物锂离子电池串联作为电源；电源管理芯片及外围检测电路用于实时监测电池组的当前电压、充放电电流、温度等信息，并实现电池剩余电荷量（Remaining Capacity，RM）的准确估算及电池动态均衡；充放电控制电路提供正常的充放电通路，典型工作状态为：当单节电池电压低于3 V时，判定为电池欠压，放电回路截止，当单节电池电压高于4.2 V时，充电回路立即断开防止电池过充，实现系统有效保护。此外，管理芯片以SMBus协议通过特定的I/O口与仪器微控制器通信，实现信息交互。

2 硬件电路设计

采用TI公司生产的BQ40z50-R1作为核心芯片，并结合外围的阻容器件组成最小系统自动控制和管理锂电池的充放电操作，电路设计如图2所示。其中，BQ40z50-R1可对一节到四节串联锂电池组进行管理。芯片在监测锂电池使用周期内电压、电流、温度和其它关键保护参数的同时保留准确的数据记录，应用阻抗跟踪技术准确测量电池的剩余电荷量，另外，提供基于软件的两级安全保护，可防止出现过压、欠压、过流、短路、过载和过热情况及其他故障。

2.1 电池充放电控制

充放电控制回路利用四个内阻为6 mΩ的N沟道MOS管 （FS8205A），一个P沟道MOS管（FDN358P）及限流电阻构成，BQ40z50-R1的PCHG、CHG和DSG引脚输出精确的控制电压驱动其开关动作。其中选用两路FS8205A并联作为系统充电或放电开关，该设计的目的是为了降低快速充电过程中流过每个MOS管的电流，以此保护FET；另外降低内阻，减少电池组内阻评估误差。系统充电周期包括对电池组的预充电、恒流充电和恒压充电三个阶段。当单节电池最小电压低于2.9 V时，系统通过Q1实现对电池组的预充电，其中R1为限流电阻，预充电电流计算方式如公式1所示，通常情况下，预充电流值限制在15 mA内。

图2 硬件电路设计Fig.2 Schematic diagram of circuit design

式中：VC—充电器电压值；VB—当前电池组端电压值。

2.2 电流检测

系统通过在BQ40z50-R1的SRP和SRN引脚间接入一个1到3 mΩ检测电阻（R26）进行电流检测，利用集成于芯片内部的deltasigma ADC进行库伦计数。

2.3 温度检测

BQ40z50-R1的TS1，TS2，TS3和TS4提供热敏电阻驱动控制，内部集成18 kΩ上拉电阻以支持外围使用10 kΩ 25℃的NTC热敏电阻进行温度检测。系统配置TS1，TS2，TS3用于监测锂电池组不同位置温度，TS4用于充放电回路MOS管的温度监测。当电池组温度低于-10℃或高于50℃，BQ40z50-R1关断系统工作回路，避免锂电池在寒冷或炎热状态下长时间运作，降低电池老化速率。

2.4 电量评估

关于锂电池的SOC测量常用方法主要有开路电压法、安时积分法等［7］。开路电压法SOC预测精度较高，简单易行，但开路电压法的缺点是时间长，不适于动态估计［8］；安时积分法对于刚充满电量的新电池而言非常有效，但随着电池老化和自放电，SOC评估存在误差，随着时间的增加，累计误差越来越大［9］。本文根据锂电池类型差异，利用阻抗跟踪算法通过对TI阻抗跟踪电池电量计微调进行SOC及其他重要参数的准确评估。

电池管理系统工作状态如图3所示，包括充电模式、放电模式及静止状态。阻抗跟踪电池电量计根据不同的工作模式可精确测量电荷状态（SOC），电池最大理论容量（QMax），剩余电量（RM）等参数，为电池的实际应用和维护提供基础。

图3 电池管理系统工作状态Fig.3 Operating mode of battery management system

SOC：定义 SOC＝QD/QMax，其中，QD是由完全放电状态计算得出的库伦积分。当便携式仪器处于睡眠或关机状态时，电池组处于没有负载的静止状态，此时电池在开路状态下的端电压（Open Circuit Voltage，OCV）与SOC存在精确的相关性。该相关性为电池组的放电或充电周期标记了一个最初的电池状态。当仪器处于充电或放电模式时，库伦计数器开始测量通过的电荷量并进行积分。

QMax：电池老化易造成电量估算误差，因此在使用过程中需即时更新电池最大理论容量，本文中原始最大理论容量设置为7 000 mAh。取充电（或放电）周期前后的两个OCV值转换为SOC，而后根据公式2计算新的QMax。

式中：ΔQ—两个OCV测量点之间的库伦积分值。

RM：在接入外部负载之后，通过测量负载条件下的电池电压差来测量每节电池的内阻。电量计可根据阻抗对终止电压 （3.0 V）进行预测，从而精确计算该负载下的剩余电量。RM计算方式如公式3所示。

式中：SOCstart—前状态下OCV对应的SOC值；

SOCfinal同一负载电流下，截止电压所对应的SOC值。

2.5 电池均衡

随着电池循环充放电次数的增加，各单体电池容量差异逐渐增大、电压逐渐分化，从而缩短使用寿命，电池均衡可消除电池成组后由于自身或长期使用而产生的各种不一致性，其电路如图4所示。在每块电池输入端设置RC滤波电路抑制噪声，典型的滤波电阻值为100 Ω；系统通过FET开关控制电池均衡，单块电池均衡时间Cell Time＝dQ×（Bal Time/mAh），其中dQ为单节电池需均衡的容量，Bal Time/mAh的计算公式如下。

式中：Rcb—电池均衡FET电阻，典型值为200 Ω；D—电池均衡占空比，对于三串电池组典型值为0.3。

图4 电池均衡原理图Fig.4 Schematic diagram of cells equalization

3 系统测试

实验选择单节电池标称容量为7 000 mAh±5%的10组锂电池组，利用上述锂电池管理系统进行多次充放电，测试主要性能指标及保护特性。

1）放电截止电压检测

图5 电池放电曲线Fig.5 Discharge curve of battery in a full discharge cycle

图1为以900 mA电流放电的完整放电周期。由图可知，电压低于1 076 7 mV（单节平均电压为3 589 mV）时电池组剩余容量较少，放电过程中电池端电压会快速下降到3.0 V。当任意一节电池电压低于3 V时，BQ40z50-R1通过DSG引脚关闭FS8205A，系统截止放电。当系统无负载电流且与便携式仪器无SMBus通信后进入休眠模式，休眠电流约为100 μA。

2）电池容量估算

表1 三串锂电池估算容量与实测容量对比及误差分析Table 1 Comparison and error analysis between estimated capacity and measured value of three series lithium batteries

表1为10组锂电池组分别进行10次循环充放电后的平均估算容量与实测容量对比结果，其相对误差最大值为2.64%，满足系统要求。因此，本系统的容量估算准确可靠，可为便携式仪器使用过程中的电池容量预警以及即时充电动作提供依据。

4 结语

根据野外地质勘查中便携式仪器应用的实际需求和锂电池方便、简洁、安全、高效的使用要求，本文设计了一种应用于便携式仪器的锂电池管理系统，具有充放电状态自动切换、过充保护、电池耗尽保护、最大充电电流限制、温度保护等功能，并且可进行剩余容量估计。经试验测试，该系统达到了预期技术要求。目前，该系统已初步应用于FD216环境氡测量仪，仪器工作期间系统安全运行稳定，具有良好的实际应用效果。

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