野外測試儀可充電電池管理系統硬件設計

張佐東，王藝瑾，李芷薇，李巧藝

（重慶第二師范學院數學與信息工程學院，重慶，400065）

1　系統設計

1.1　整體設計

該系統主要包括以下5個部分： （1）AC適配器：采用市售通用20V/90W AC適配器。（2）充電電路：采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構成，可對4節10AH串聯鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動選擇AC適配器或電池進行系統供電，充電管理可通過單片機進行控制。（3）轉換電路：采用TI的TPS40132將系統供電轉換成穩定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓輸出，每路電流5A。（4）鋰電池組：采用4節10AH鋰電池串聯，內部包含過充、過放、過流及過熱保護電路。（5）狀態指示及電量顯示：采用Atmel ATmega32單片機進行控制。可以對充電、充滿、保護等狀態進行指示。通過I2C總線控制充電管理芯片，對電池電壓進行檢測來獲取電量信息，然后通過兩位LED數碼管進行電量顯示。

圖1　系統設計原理框圖

1.2　硬件設計

1.2.1充電電路

采用TI的BQ24735芯片和必要的外圍電路構成，可對4節10AH串聯鋰電池充電（最大充電電流為8A），可以自動選擇AC適配器或電池進行系統供電，充電管理可通過單片機進行控制。

BQ24735是TI公司推出的一款高效率同步電池充電芯片，主要應用于空間有限的便攜設備中，具有過載電壓保護、過流保護、電池、感應器和MOSFET短路保護的增強型安全特性。當系統供電需求暫時高于適配器最大供電水平的時候，BQ24735使用智能加速技術來允許電池向系統中釋放能量，以此來保護適配器不被損壞。另外，BQ24735可以使用內部輸入電流寄存器或者外部ILIM引腳來減緩PWM調制速度，從而減小充電電流。芯片典型應用電路如圖2所示。

1.2.2轉換電路

采用TI的TPS40132芯片將系統供電轉換成穩定的5V電壓、10A電流輸出或者雙路5V電壓、每路5A電流輸出。

TPS40132是一款雙通道多相控制器，主要用于互聯網服務器、電信設備、直流電源分布式系統等。該芯片具有如下特性：支持5V DC輸出；可通過電阻分壓器設置輸出過壓閾值；支持電阻或電感DCR電流檢測；可提供6位數字控制；

圖2　BQ24735典型應用電路

圖3　TPS40132簡單應用電路

1.2.3控制器

使用Atmel ATmega32單片機作為控制器，通過I2C總線控制充電管理芯片。

ATmega32單片機是一種基于增強RISC結構的、低功耗的8位單片機。其特性為：具有32K字節的可編程 Flash、2K字節的SRAM數據存儲器和1024個字節的可編程EEPROM數據存儲器；包含JTAG、SPI、USART接口；擁有兩個分別獨立、可設置預分頻器的8位定時器/計數器及一個16位定時器/計數器；具有四個通道的PWM輸出、8路10位ADC和32個可編程I/O接口；低功耗、最高工作頻率為16MHz。

1.2.4狀態指示及電量顯示

采用Atmel ATmega32單片機進行控制?？梢詫Τ潆?、充滿、保護等狀態進行指示。通過I2C總線控制充電管理芯片，對電池電壓進行檢測來獲取電量信息，然后通過兩位LED數碼管進行電量顯示。

開機時，用戶打開電源開關，LED數碼管顯示ON，隨后顯示數字（即電池電量，顯示范圍為00-99，單位為%），同時5V OK、電源、輸出3個綠色指示燈亮起，說明此時由電池供電，且電池工作正常，5V輸出正常。如果電池電壓過低，則紅色告警指示燈亮起，5V輸出斷開，此時需要接入充電器才能正常工作。

圖4　ATmega32單片機結構

進行充電時，插入充電器后，充電指示燈亮起，說明電池正在充電，同時充電器提供對5V輸出的供電。電池充滿后，充滿指示燈亮起，同時充電指示燈熄滅，系統自動停止對電池充電，充電器還將繼續提供對5V輸出的供電。

保護狀態分為以下幾種情況：當電池供電時，如果電量低，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開。在插入充電器后，系統恢復正常。當電池供電時，如果電池溫度過高，則告警指示燈亮起，5V輸出斷開。在電池溫度正常后，系統恢復正常。當電池充電時，如果電池溫度過高，則告警指示燈亮起，系統停止充電，5V輸出由充電器提供。在電池溫度正常后，系統再次恢復充電。

2　結語

根據野外測試儀器應用的實際需求和可充電電池方便、簡潔、安全、高效的使用要求，本文設計了一種應用于野外測試儀器的可充電電池管理系統，該系統具有充放電狀態自動切換、過充過放保護、最大充電電流限制、溫度保護等功能，并且可進行剩余容量估計。經試驗測試，該系統負載調整率為0.52%，10A電流輸出時的轉換效率為95%，達到了預期技術要求，儀器工作期間，系統安全穩定運行，具有良好的實際應用效果。