基于BQ24105的鋰離子電池充電管理模塊設計與實現

任勇峰，董琳琳，劉東海

(中北大學 微米納米技術研究中心，太原 030051)

隨著嵌入式設備運用的日益普及，及對設備便攜化的需求也在逐漸增強。而便攜的實現離不開電池的使用。傳統的鎳鉻和鎳氫蓄電池的體積和質量大，污染嚴重[1]。而鋰離子電池具有小的體積，輕的質量，大的能量密度和穩定的性能[2]。基于以上優勢使鋰離子電池在便攜化發展中廣受青睞。但鋰離子電池在使用時要求十分嚴格，不可過充[3]。因此，要對鋰離子電池進行充電管理，保證鋰離子電池的使用壽命等各項性能的穩定。從而可進一步保證設備的性能穩定。

1 設計方案

以BQ24105芯片為核心的充電管理模塊及搭建的測試平臺組成的設計鏈路如圖1所示。測試臺部分由測試臺和上位機組成，用于下發主備電切換命令和接收傳回的數據并上傳到上位機顯示出來[4]。測試臺中的FPGA與上位機通過PCI9054橋接芯片進行數據、指令等的交互[5]。測試平臺與存儲設備通過線纜以異步422形式進行傳送和接收。

存儲設備部分，由充電管理模塊、采集模塊、FPGA和其他模塊組成。在BQ24105的充電輸出端串接霍爾電流傳感器。AD采集單元利用AD7667配合模擬開關，實現分時采集接收電流值和電池端電壓值[6]。采集得到的數字量經過FPGA以422形式發送給測試平臺接收顯示。

圖1 設計鏈路示意圖

2 采集模塊的設計

該模塊的設計是為了采集監測充電電流和電池端電壓，其中電流采集是使用霍爾電流傳感器HBA05-SP將充電電流轉換為電壓值，之后將該電壓和電池端電壓再輸入到AD采集單元轉化成為數字量[7]，最終上傳至上位機顯示。

對于HBA05-SP霍爾電流傳感器，它所使用的原理圖如圖2所示，HBA05-SP是閉環霍爾電流傳感器，它的初、次級之間是絕緣的，具有超強抗干擾能力。它的匝數比為4∶1 000，額定輸入有效電流值為5 A，額定輸出有效電流值為20 mA，共6個引腳。電流流向為5到6，需要將傳感器通過5、6引腳串接到電路中，1、3引腳為供電端，本方案采用12 V供電，4引腳為電流輸出端。現根據需要設定所測電流范圍在50 mA到500 mA，根據匝數比與電流比成反比可以得出，傳感器輸出電流范圍在0.2～2 mA之間，為方便AD采集單元采集，設置如圖2所示的分壓電阻，其中R1=51 Ω，R2=1.24 kΩ，將電流轉換為相應電壓后，再由AD采集單元采集。

圖2 HBA05霍爾電流傳感器原理圖

3 充電管理模塊的設計

3.1 降壓和主備電切換部分

由于存儲設備的其他模塊需要的電壓是3.6 V，而電池組是由2節標稱值是3.7 V的鋰離子電池串聯組成。本方案選擇輸出電壓可調的高電流低壓差線性穩壓芯片MIC29302BT實現降壓，如圖3所示，為電池組降壓電路圖。該芯片使用時要求，輸入電壓VIN取(VOUT+1～26 V)之間，即4.6～26 V，電池組電壓符合該要求。輸出電壓可選1.25～25 V范圍內的值，可通過式(1)設置電阻R1和R2實現相應輸出的電壓值。根據需要可得，

(1)

其中，VADJ=1.240 V，代入可得，

取標稱值R1=1.6 kΩ、R2=820 Ω。此外還需注意該芯片具有使能端EN，要求小于0.8 V時使能無效，大于等于2.4 V時使能有效，電池組的降壓使能端是FPGA控制，使能端有效時電壓在3.3 V左右，因此，為了能有效控制使能開合，在使能端加1 kΩ下拉電阻R3，如圖3所示。

圖3 電池組降壓電路圖

主備電切換部分，如圖1所示的充電管理模塊。當通過線纜將主電源連接到存儲設備時，主電源(12 V)一方面對電池組進行充電，另一方面通過同步降壓轉換器LMR33630將主電源的12 V轉換為穩定的5.2 V輸出，再通過MIC29302直接利用VIN作為使能信號為存儲設備進行供電，如圖4所示。而電池組方面由上位機下發主電源指令將電池組的MIC29302使能端變為低。當主電源供電時需要整個存儲設備工作，需要有穩定且較大的電壓和電流，故這里選用LMR33630作為主電源的降壓轉換器，該降壓轉換器可以用高達36 V的輸入電壓驅動高達3 A的負載電流，并且具有超小型QFN封裝和低EMI、低噪聲，效率高等特點。該芯片在使用時需注意，輸入電壓值可選6～36 V之間，輸出的直流電流應在0～3 A,輸出的直流電壓應在1～24 V。VFB為反饋電壓，值為1 V。本方案要用12 V輸入電壓得到輸出5.2 V電壓和1.5 A左右的電流。所搭建DC-DC降壓電路如圖4所示，根據式(2)可得到分壓電阻值。

(2)

取標稱值RFBT=100 kΩ，RFBB=23.7 kΩ+107 Ω。

根據式(3)可得到輸出電感值，

(3)

其中K=0.3，fsw=400 kHz。代入可得標稱值L=8.5 μH。

圖4 DC-DC降壓電路圖

當需要電池組進行供電時，撤掉線纜斷開主電源(12 V)時先通過上位機向存儲設備下發一個備用電源指令給存儲設備的FPGA，再斷開線纜(主電源)，當存儲設備的FPGA接收后立刻使能與電池組相接的MIC29302的使能端，此時為電池供電，完成了主備電源的切換。

3.2 BQ24105芯片關鍵設計

相比于BQ241XX系列的其他型號，除了具有高精度的充電電流和充電管理電壓、可調的工作溫度和可調的充電時間等特點外，還有作用對象多，并且設有輸出電壓反饋調節端等特點。

3.2.1BQ24105芯片充電過程

BQ24105芯片的溫度特性，芯片比較TS引腳的電壓與內部門限值來決定是否允許充電。為了初始化一個充電循環，電池溫度必須在V(LTF)到V(HTF)之間。不在該范圍則暫停充電等待直到屬于該范圍。在充電循環期間(預充電和快速充電)，電池溫度必須在V(LTF)到V(TCOF)之間，不在該范圍則暫停充電等待到達V(LTF)到V(HTF)范圍。如圖5所示。

圖5 BQ24105芯片的溫度特性

根據鋰離子電池的充電特點和BQ24105充電芯片的工作特性，充電的基本過程可分為預充電，快速充電和終止充電3個階段[8]。圖6為充電曲線，由于鋰離子電池具有較高的能量比，如果直接進入快充模式，會對電池產生損害。該芯片在預充電時，如果電池端電壓VBAT低于VLOWV門限電壓，則芯片采用預充電流IOPRECHG充電，該電流激活電池，并且激起預充定時器(30 min)，如果定時器結束時還未到達VLOWV，則停止充電，STATX顯示充電錯誤。當換個電池或重新上電復位后，錯誤狀態將被清除。

圖6 充電曲線

快速充電根據鋰離子電池的充電特性分為恒流充和恒壓充兩個階段。恒流充時充電電流不變，充電端電池電壓持續升高，當充電端電池電壓達到設置的充電截止電壓值后，進入電壓管理階段，充電端電池電壓不變，充電電流逐漸減小。芯片在電壓管理階段監測充電電流，一旦檢測到終止電流ITERM，芯片就會終止充電[9]。終止電流與預充電電流基本相等。圖7所示為BQ24105對鋰離子電池充電時的流程。

根據設計要求，本方案要給2節串聯的鋰離子電池進行充電。充電時要求充電截止電壓最大為8.3 V，充電時間最多為2.5 h，充電溫度為0～45 ℃，充電電流為350 mA，預充電電流是充電電流為58 mA。BQ24105搭建的電路如圖8所示。

圖7 BQ24105對鋰離子電池充電時的流程框圖

圖8 BQ24105搭建的電路圖

3.2.2充電參數設計

1)充電電壓設計

BAT引腳為充電管理電壓端，FB引腳為充電電壓的反饋調節端口，設計時，利用R1和R2將BAT端的電壓值配置成充電截止電壓值[10](廠家推薦8.3 V)。根據式(4)可得，

(4)

2)充電時間的設計

TTC為快充定時器及終止控制引腳，充電時間可通過設置TTC引腳對地電容值來實現，由式(5)可得，

(5)

其中，KTTC=2.6 min/nF，tCHARGE可選25～572 min范圍，本方案選tCHARGE=2.5 h，CTTC=57.69 nF，取標稱值CTTC=56 nF。

3)充電溫度的設計

鋰離子電池最好在0～45 ℃范圍進行充電，故將BQ24105充電芯片的充電工作溫度設置在該范圍[11]。要實現對溫度的管理，僅需要配置好分壓電阻RT1和RT2即可，這里的熱敏電阻選103AT，其中熱敏電阻的低溫極限電阻為RTHclod=27.28 kΩ，高溫極限電阻為RThot=4.912 kΩ。由式(6)和(7)可得，

(6)

其中，VLFT=73.5%·VO(VTSB)，VHFT=34.4%·VO(VTSB)，VO(VTSB)=3.15 V，代入可得，RT2取標稱值442 kΩ。

(7)

代入可得，取標稱值RT1=9.31 kΩ。

4)充電電流的設計

SNS引腳為充電電流感應輸入端，電池電流通過一個外部串聯電阻RSNS對應產生的電壓值作為芯片判斷電流的依據[12]。由式(8)可得，

(8)

其中，VRSNS=100 mV，代入可得，取標稱值0.3 Ω。

ISET1引腳為快充充電電流配置端，通過設定RISET1配置不同的最大充電電流值，由式(9)可得，

(9)

其中，KSET1=1 000，VISET1=1，代入可得，取標稱值9.53 kΩ。同理，ISET2引腳為預充電電流配置端，根據式(10),

(10)

其中，KISET2=1 000，VISET2=0.1 V，代入可得，取標稱值5.76 kΩ。

5)充電LC振蕩的設計

電感參數的選擇是充電電路設計的關鍵，用以提供內部回路補償,其電感值要足夠大，以保證紋波性能，由式(11)可得，

(11)

其中ΔIL=30%×ICHARGE，f表示芯片內部的PWM控制器的工作頻率，取f=1.1×106，VINMAX表示芯片的工作電壓和輸入電壓的最大值(16 V)。代入可得，取標稱值22 μF。

充電輸出電容與充電輸出電感的諧振頻率在10～20 kHz之間，這里取f0=16 kHZ。

(12)

代入式(12)可得，取標稱值4.7 μF。

6)充電狀態的設計

該芯片設有兩個引腳，STAT1和STAT2，用以顯示充電狀態，本方案的流程如圖7所示，利用LED的亮滅表明充電的狀態，如表1所示。

表1 充電狀態對應

4 測試與驗證

用一個10 Ω、25 W的大電阻對電池放電至4.5 V左右后，將電池連接到充電模塊后對電池進行充電，并用線纜將存儲設備和測試平臺相連接，每3 min記錄通過上位機顯示的采集回來的充電電流值和電池電壓值，通過整理繪制得到如圖9溫度在規定范圍時的曲線。

圖9 溫度在規定范圍時的曲線

經多次測試，可以看到，在2.5 min內完成充電并且實測曲線與芯片管理過程曲線走勢一致，實現了電池管理，后將該模塊放置于零下及45 ℃以上的環境下進行充電，發現充電模塊暫停充電工作，圖10所示為溫度不在規定范圍時的曲線，在21∶27左右時刻之前為模塊處于不滿足溫度條件時不充電的曲線，充電電流值很小，電池端電壓值由于不充電也未消耗而幾乎不變，STATX燈均不點亮。在21∶27左右時刻之后為模塊恢復到0～45 ℃時充電模塊正常充電的曲線，充電電流值和電池端電壓值再次進行正常變化，并且充電狀態燈在充電時僅STAT1燈亮，而在充電完成時僅STAT2燈亮。

圖10 溫度不在規定范圍時的曲線

5 結論

根據BQ24105芯片的功能特點，結合鋰離子電池的充電特性，提供了實用的電路設計方案，搭建了可靠有效的測試平臺，該模塊可根據實際設計需要安全可靠的完成鋰離子電池的充電工作，性能穩定，效果良好且實用性強，確保了設備工作的穩定性和可靠性。