基于BQ76930的充放电管理板设计

2022-06-09田侃，肖融

船电技术 2022年5期

关键词：电池组管理控制充放电

田侃，肖融

应用研究

基于BQ76930的充放电管理板设计

田侃，肖融

（武汉船用电力推进装置研究所化学电源事业部，武汉 430064）

本文设计了一种基于BQ76930电池管理芯片的8串电池充放电管理板，BQ76930可通过使能/禁用集成电路（IC）中的子模块来控制整个芯片的电流消耗。本文详细描述了充放电管理板的设计内容，包含芯片的选型、硬件电路的设计以及软件设计。充放电管理板的验证试验表明该充放电管理板功能齐全，功耗低。同时，利用软件可实现各种保护参数的设定，该管理板具有广泛的适用性。

BQ76930 充放电管理板低功耗

0 引言

随着不可再生资源的减少和环境的日益恶化，国家对新能源扶持政策逐渐加大，新能源受到越来越多的关注[1]。随着电池的使用场景快速增加，电池的管理系统重要性日益体现，因为电化学反应的难以控制和活性材料在使用过程中时刻变化，同时电池在使用过程中由于自身的特性，各种不良的因素都会对电池的使用造成很大的安全隐患，主要包含电池过充、过放、电池组温度过高及主回路短路[2]。因此，在使用电池组的同时，必须配备电池管理板，对锂离子电池组的使用进行管理，从而保证锂离子电池组的安全有序运行，同时延长其使用寿命。电池管理板通过实时检测电池组的电压温度和充放电回路的电流来控制回路的通断，防止由于过充、过放等因素对电池造成不可逆的损伤[3]。同时可以通过上位机实时显示电池的容量，并通过存储芯片对历史数据进行存储。

当前和电池管理系统相关的研究有很多，普遍存在电路复杂的问题，同时管理板本身的功耗较高，不适应需要长期储存使用的管理板设计需求。针对用户的需求，本文利用BQ76930芯片可同时处理10节串联电池的采样，支持多达3个热敏电阻，并具备一个单独的内部ADC电流测量模块，通过I2C兼容接口，同时控制电池信号检测单元和存储单元的活动，设计了一款功能齐全结构简单且长期使用功耗低的电池管理板[4～5]。

1 充放电管理板架构

本充放电管理板主要用于八串的三元锂离子电池组，该管理板可以保障电池组安全有效的运行[6～8]，其主要功能有：

1）准确的估测电池组的荷电状态和低压报警功能：上位机实时检测电池的状态，保证电池容量维持在合理的范围内。当电池组单体电压低于低压报警设定值或者电池组总压低于低压设定值时，上位机显示报警状态信息，待充电至解除低压报警值时报警解除。

2）放电低压保护功能：当电池组单体电芯电压低于截止电压或电池组总压低于设定值时，电池组充放电均断开。

3）高温保护功能：通过温度传感器实时检测电池组内部温度，一旦温度超过保护设定值时，电池组充放电断开，待温度恢复正常后，管理板可正常使用。

4）短路保护功能：当电池组输出短接时，电池组充放电回路断开，短路解除后管理板可正常使用。

5）过流保护功能：当管理板检测到主回路电流超过过流保护设定值时，电池组充放电回路断开，切换负载后可恢复正常使用。

6）充电过压保护功能：当电池组单体电芯电压超过设定值或总压超过设定值时，电池组进入过压保护。

7）均衡功能：对充电过程中单体电芯电压实时监控，当任意两个电芯电压差超过设定值时，管理板通过电阻进行均衡从而保证单体电芯电压差在一定范围内。

2 充放电管理板设计

根据电池组的成组方式，充放电管理板主要包括电池信号检测单元、存储单元、管理控制单元等模块，其基本框架如图1所示。通过对功能与结构进行模块化设计，提高管理系统的可靠性和维修性。保护板采取控负极的控制方式，所有设备的正极均与电池组的正极直接相连。为了提高电流采样精度，减少载流量不够引起的发热等问题，当一组接线端子数量有多个时，需将所有端子线并接口输入或者输出。

图1 充放电管理板方案框图

1）电池信号检测单元

信号检测单元主要包括电压温度采样芯片以及外围采样电路，可以实时检测8路电池单体电压、2路电池温度以及电池电流。

2）存储单元

存储单元主要包含片外FLASH存储器及相关外围电路，用于电池电压、温度、电流、SOC、故障报警状态等工作数据的存储。

3）管理控制单元

管理控制单元主要包括单片机芯片CKS32F103RBT6以及MOS温度检测、开关检测、充放电控制、通信等相关外围电路，是充放电管理板的检测、控制和通讯中枢；管理控制单元也同时控制电池信号检测单元和存储单元的活动。

3 硬件电路设计

3.1 电池信号检测单元设计

电池信号检测单元芯片采用TI公司生产的BQ76930，可同时处理10节串联电池的采样，直接支持多达3个热敏电阻，并具备一个单独的内部ADC电流测量模块，通过I2C兼容接口，可将采样数据上传给管理控制单元。

1）电池电压温度检测

BQ76930检测8串电池单体电压和2路温度，电压检测精度±20 mV，温度检测精度±2℃，采样周期不大于500 ms。温度检测借助5 K 3950的NTC贴片电阻将温度信号转换为电压信号输入到BQ76930，通过I2C接口上传给管理控制单元进行处理。

2）电流检测

BQ76930使用内部ADC电流测量模块对电池工作电流进行检测，采样周期不大于500 ms，外围采样电路利用4并3 mΩ的采样电阻将电流信号转换为电压信号，BQ76930采集电压信号，最终通过I2C接口上传给管理控制单元进行处理，采样电路如图2所示。

3）存储单元设计

存储芯片使用上海贝岭生产的BL24C526存储器。BL24C526存储器具有1.7～5.5 V的宽输入电压，256 Kbit的存储容量，64 Byte的页操作模式，擦写寿命多达100万次。管理控制单元通过I2C接口控制BL24C526存储器实时存储电池运行数据，存储内容与通信协议的数据范围保持一致。存储周期5s，存储长度不少于360条（0.5 h）。

存储单元硬件电路设计如下图3所示。

图3 存储单元电路

3.2 管理控制单元设计

管理控制单元单片机芯片使用CKS32F103RBT6。CKS32F103RBT6主频高达72MHz，具有128 KB的片内FLASH，20 kB的静态RAM，2路I2C通信接口可分别与电池信号检测单元和存储单元进行通信，同时具备2个12位AD转换模块和多达51个通用GPIO口，用于信号检测和驱动控制。

1）MOS管温度检测

管理控制单元利用CKS32F103RBT6的AD转换模块检测1路MOS管温度。温度信号借助10 K热敏电阻转化为电压信号，在单片机内部利用电路变换关系换算成实际温度。温度采样电路设计如图4所示。

图4 温度采样电路

2）充放电开关检测、控制

电池组管理板通过开关实现对电池组放电的控制。用户操作模式开关后，管理控制单元根据检测信号，驱动控制充放电MOS开关动作。

3）通信电路

管理控制单元使用RS232总线与总体进行通信，通信隔离芯片使用ADI公司生产的高稳定高可靠性的ADM101E，电路设计如下图5所示。

图5 RS232通信电路

4）电源电路

管理控制单元从电池组取电，通过电源模块TPS62172DSGR、IB1205S-W75R3和LM5163转换为单片机CKS32F103RBT6、通信隔离芯片ADM101E以及充放电MOS开关驱动电源，其中TPS62172DSGR输出单片机用电3.3 V，IB1205S-W75R3输出通信隔离芯片5 V用电，LM5163输出12 V充放电MOS管驱动控制用电。

4 软件设计

充放电管理板实时监控电池组的工作状态，根据软件设定值，执行告警、应急处理措施。电池组工作过程包含三种状态：充电状态、放电状态以及休眠状态。

在充电状态时，单片机通过识别处理前端芯片的传递信息，使充电MOS打开，充电直至设定值。如果检测到过压、过流、短路、过温等异常情况时会关闭充电MOS管并在上位机给出相应的报警提示。放电状态程序运行过程和充电状态一样，区别在于电压保护参数的不同，充电时设定单体电芯过压和电池组总压过压保护，放电时设定单体电芯欠压和电池组总压欠压保护。单片机程序执行遵循相应的逻辑。

在实际的工作过程中，电池组的电压电流和温度等参数通过前端芯片实时采集，通过I2C通讯传递给单片机，单片机根据采集的状态信息根据程序的流程作出相应的处理，通过对硬件电路的控制实现对电池组的控制，从而达到控制目的。

5 试验验证

为满足充放电设计要求，本方案采用充放电分口设计，即充电口和放电口时分别通过独立的开关连接到电池端。具体设计和实物见图6。

5.1 电池组过充试验保护试验结果

对电池组中8串电池单体的数据采样分析，对电池单体过充电压作图如图7所示，从图中可以看出2号电池单体在电压为4.247 V时直接进入保护，电池组停止充电，电压下降。图7中上位机采集到的2#电池单体由于过充，进入过压保护一致。

图7 过充试验保护结果

5.2 电池组过放试验保护试验结果

对电池组中8串电池单体的数据采样分析，对电池单体过放电压作图8所示，从图中可以看出3#电池单体在电压为2.799 V时直接进入保护，电池组停止放电，电压下降。和图8中上位机采集到的3#电池单体由于过放，进入过放保护一致。

图8 过放试验保护结果

6 结语

本文基于电池管理芯片BQ76930，设计了一个八串的电池充放电管理板，通过对板子进行功能测试，管理板满足各项设计指标，并且该管理板结构相对简单，空间利用率高，尺寸小同时实现了所需求的功能，同时通过软件实现保护参数可设置，根据用户的需求调整相应的参数，增加了保护板应用范围。通过使用BQ76930电池管理芯片和对硬件电路的合理设计，管理板功耗低，电池的容量得以更好地利用，极大的增加了电池组在长期存贮环境下的使用时间。

[1] 张海龙. 中国新能源发展研究[D]. 吉林大学. 2014.

[2] 何向明.车用锂离子动力电池系统的安全性[J]. 科技导报. 2016, v.34; No.492(06): 34-40.

[3] 卢兰光, 李建秋, 华剑锋, 等. 电动汽车锂离子电池管理系统的关键技术[J].科技导报, 2016, 34(06): 39-51.

[4] 魏方勇, 范从建, 陈鑫. 电池管理系统的安全控制装置; CN10272588U[P]. 2020.

[5] 李围, 赵胜, 徐进, 等. 基于OZ3705的电池管理板设计[J]. 船电技术, 2017, 037(002): 71-73.

[6] 项胜. 电动汽车动力电池安全管理系统研究与设计[D].上海工程技术大学. 2016.

[7] 贾洪旭. 奥运电动汽车电池管理系统的研究与设计[D]. 北京交通大学. 2008.

[8] 胡秀芝. 锂离子电池管理系统的设计[D]. 北方工业大学, 2014.

Design of charge and discharge management board based on the chip of BQ76930

Tian Kan, Xiao Rong

(Chemical Power Division of Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

1003-4862（2022）05-0052-04