基于BQ24105的充電管理電路在物探儀器中的應(yīng)用

徐晶

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安，710077)

0 引言

適用于煤礦井下安全程度為“ib”的物探儀器設(shè)備的電池組作為非本安端子不能直接引出儀器，一般儀器表面的充電接口須串聯(lián)2級(jí)二極管與電池組相連。傳統(tǒng)的外部充電器由于不能直接與電池組連接，不能實(shí)現(xiàn)電池組參數(shù)如電池電壓、電池組溫度的精準(zhǔn)測(cè)量，影響儀器鋰電池充電的安全性。我們提出將基于充電管理芯片的充電方案應(yīng)用于物探儀器，采用充電管理芯片的充電方案實(shí)質(zhì)是將物探儀器常用的充電器中充電管理功能放入物探儀器內(nèi)部與電池組直接相連從而提高整個(gè)充電過(guò)程的安全性。

圖1 典型的充電曲線

1 BQ24105的工作原理

BQ24105是一款內(nèi)部集成了功率場(chǎng)效應(yīng)管的同步開(kāi)關(guān)鋰電池充電管理芯片，其主要特性有：（1）內(nèi)部集成的功率場(chǎng)效應(yīng)管可支持2A的充電電流；（2）高精度的電壓和電流調(diào)節(jié)；（3）可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)充電管理控制，也可以在系統(tǒng)控制下工作；（4）狀態(tài)輸出可直接驅(qū)動(dòng)led進(jìn)行顯示，也可連接主機(jī)處理器接口傳遞狀態(tài)信息；（5）電池溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（6）熱關(guān)斷、熱保護(hù)。

BQ24105采用傳統(tǒng)的恒流恒壓模式對(duì)電池組進(jìn)行充電，其典型的充電曲線如圖1所示，其中實(shí)線為電流/時(shí)間曲線，虛線為電壓/時(shí)間曲線。在充電開(kāi)始之前，BQ24105內(nèi)部集成的電池檢測(cè)方案自動(dòng)檢測(cè)到電池組是否連接，當(dāng)確認(rèn)電池組連接時(shí)，BQ24105進(jìn)入充電階段。圖1 所示的充電曲線包含了預(yù)充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段三個(gè)階段，在實(shí)際使用中BQ24105會(huì)根據(jù)電池組的電壓確定充電過(guò)程從哪個(gè)階段開(kāi)始。

2 基于BQ24105的本安充電管理電路設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

考慮到物探儀器的多樣性，設(shè)計(jì)采用BQ24105獨(dú)立充電模式，充電電壓、充電電流、預(yù)充電電流、充電安全時(shí)間均為可調(diào)節(jié)參數(shù)以適應(yīng)不同儀器的充電需求。根據(jù)《GB3836.1-2010爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分：通用要求》，煤礦井下使用的本質(zhì)安全電路屬于“ib” 等級(jí)，其本質(zhì)安全電路需要同時(shí)設(shè)置兩級(jí)保護(hù)電路。圖2所示電路中D1和D2為兩個(gè)阻塞二極管，二者串聯(lián)構(gòu)成兩級(jí)保護(hù)，防止電池組作為非本安電源直接引出儀器，保證了充電回路的本質(zhì)安全性。D4、D5、D6為狀態(tài)顯示燈，分別采用藍(lán)色LED、紅色LED、綠色LED以區(qū)分不同狀態(tài)。C5為安全時(shí)間設(shè)置電容，按照公式(1)對(duì)電容值進(jìn)行計(jì)算，其中tCHARGE為充電時(shí)間；R9、R10、R11、R12用于充電電壓設(shè)置，按照公式(2)選取合適的電阻值，R10、R12分別和R9和R12并聯(lián)，可以提高充電電壓的設(shè)置精度；R1、R5、R6用于充電電流設(shè)置，按照公式(3)、 (4) 、(5)選取合適的電阻值。

圖2 本安型充電管理電路

R7、R8用于充電溫度區(qū)域設(shè)置，按照公式(6)和公式(7)選取合適的電阻值，其中RTH、RT1分別為熱敏電阻的低溫閾值的電阻值和高溫閾值的電阻值，其余參數(shù)可以在BQ24105的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)兩串的磷酸鐵鋰電池組（6.4V/9Ah）設(shè)計(jì)充電管理電路，首先確定充電電路參數(shù)：充電電壓為7.2V、充電電流2A、預(yù)充電電流和充電截止電流為200mA；然后根據(jù)公式計(jì)算電路中電容、電阻值，具體值如圖2所示。

隨機(jī)挑選出10塊充電管理電路分別對(duì)10組磷酸鐵鋰電池組（6.4V/9Ah）進(jìn)行充電，其中Vin端口輸入電壓為9V。實(shí)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)：充電電流、充電電壓和充電完成后的放電容量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 充電電路板的實(shí)測(cè)參數(shù)值

充電電流實(shí)測(cè)值與設(shè)置值之間最大偏差為3.4%，充電電壓實(shí)測(cè)值與設(shè)置值之間最大偏差0.33%，充電完成后的放電容量測(cè)試全部大于等于9Ah，可以滿(mǎn)足儀器實(shí)際充電需求。

3 總結(jié)

本文提出將智能設(shè)備的充電管理芯片引入物探儀器設(shè)備中進(jìn)行充電管理，基于充電管理芯片的充電方案采用恒壓恒流的方式完成鋰電池組充電，相比外部充電器增加了預(yù)充電、高低溫充電保護(hù)等功能，在提高鋰電池充電的安全性的同時(shí)也極大的延長(zhǎng)了鋰電池的循環(huán)壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]李江全，任玲.LabVIEW虛擬儀器——從入門(mén)到測(cè)控應(yīng)用130例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014.