一種通用型礦用物探儀器鋰電池充電管理系統

趙佳佳，郭愛軍，汪凱斌，李宇騰

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077；2.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西神木 719315）

傳統的物探儀器中使用的鎳鉻和鎳氫蓄電池的體積和質量大，容量減少快，影響儀器整體性能。現有的鋰電池具有體積小、質量輕、能量密度大、性能穩定等優點，因此現礦用物探儀器中的電池組大部分使用鋰電池[1-9]。

國家規定煤礦用物探儀器須符合MA 要求，取得MA 證書，儀器中的電池組是取得MA 證書的關鍵。但煤礦物探儀器中電池組本身不符合MA 要求，其端口不可直接引出充電器。為解決該問題，現有物探儀器普遍在電池組端口串聯2 級反向二極管與充電端口連接，利用二極管正向導通反向截止的特性使電池組符合MA 要求。該種方式的不足是充電時受二極管自身壓降影響，對電池組實時充電電壓、溫度等參數不能精準檢測，但鋰電池[10-13]在充電時要求十分嚴格，不可過充。因此針對鋰電池設計一種通用型鋰電池充電管理系統是保證儀器性能穩定的重要環節之一。

1 總體方案設計

1.1 現有充電管理系統

現鋰電池充電管理系統組成如圖1 所示。現有物探儀器為滿足MA 要求，采取以下兩種方式：1）電池組連接二極管保護電路，接到充電器端口；2）儀器中充電板增加二極管保護電路，電池組通過充電板與儀器外殼充電端連接。

圖1 現鋰電池充電管理系統

以上兩種方式均采用兩級二極管串聯來阻塞電池組充電端電池電流外泄，但這兩種方式會嚴重影響充電板的散熱。由于物探儀器內部必須用液體硅膠澆灌，保證電池、電路板與礦井下易燃氣體隔絕，防止儀器電路中異常打火引起煤礦井下可燃氣體爆炸，但膠封體在保證安全的同時也嚴重影響放置于儀器內部充電板的散熱。電池充電板在充電時電流較大，充電板溫度在上電瞬間迅速升高，長時間在膠封體內持續高溫工作，膠封體阻隔了充電板熱量散出，導致充電管理芯片管腳焊錫融化，芯片工作異常，充電不能正常進行，損壞電池組，影響儀器性能。

1.2 通用型鋰電池充電管理系統

為解決上述問題，設計一種通用型鋰電池充電管理系統。設計分離式本安保護電路代替二極管保護電路，放入儀器膠封體內，使電池組滿足本安要求。去掉充電板中二極管保護電路，將充電板放置于外部充電器中，并給充電管理芯片涂導熱硅脂，加散熱罩，增強充電板散熱能力。儀器內部本安保護電路與充電器中的充電板構成通用型充電管理系統，其通用型主要表現為針對不同的儀器，可調整不同的充電電壓。通用型鋰電池充電管理系統如圖2所示。

圖2 通用型鋰電池充電管理系統

2 基于BQ24105的充電管理電路

2.1 充電管理芯片BQ24105的工作原理

芯片BQ24105 可進行高精度的充電電流與充電電壓管理，輸出電壓反饋端、充電時間與工作溫度可調節等優點，支持單節或雙節的精密鋰離子電池充電，可以通過自動檢測電池是否缺失來決定是否進入充電狀態，具有針對鋰電池的低電壓預充電功能[14]。

芯片BQ24105 采用傳統的恒流恒壓模式對電池組進行充電，根據鋰電池的充電特性與芯片BQ24105的工作特性，電池完整的充電過程可劃分為電池缺失檢測、預充電、快速充電、停止充電幾個部分，預充電階段在實際充電過程中不一定會發生，根據電池電壓情況判斷。

1）電池缺失判斷流程

該芯片可通過檢測電池電壓來控制芯片是否進入充電狀態，若檢測到電池電壓未達到可以進入充電狀態的閾值，則判斷電池缺失，不進入充電狀態，判斷電池缺失流程圖如圖3 所示。首先，連接電池與充電器，檢測程序啟動，產生檢測電流，判斷電池電壓VBAT與電池進入快速充電的充電電壓閾值VLOW大小，若為否，電池電壓VBAT大于充電電壓閾值VLOW，則進入充電狀態；若為是，電池電壓VBAT小于充電電壓閾值VLOW，則進入下一步，啟動喚醒程序。喚醒程序產生喚醒電流I(WAKE)，判斷此時電池經過喚醒后的反饋電壓是否大于此時充電電壓VOREG與重新產生的充電檢測電壓VRCH的差，若為否，則進入充電狀態，若為是，則判定此時接入電池損壞或未接入電池，判斷完成后，重新進入下一次判斷。

圖3 電池缺失檢測流程圖

2）電池充電過程

圖4 為芯片典型充電過程曲線，其中實線為電流/時間曲線，虛線為電壓/時間曲線。由于鋰電池能量比較高，芯片會在電池電壓低的時候先進行預充電，待充電電壓達到充電電壓閾值VLOW時，再進入快速充電，這樣的充電方式有效防止了鋰電池在低電壓情況下由于電壓快速升高造成損壞。進入快速充電過程后，采用先恒流，后恒壓的方式充電，這樣保證電池在充到一定電壓之后，仍然以當前電壓繼續充至充電電流為截止電流閾值，該方式有效防止電池出現充電電壓虛高、充不滿的情況。

圖4 芯片典型充電過程曲線

在實際充電過程中，芯片BQ24105 會根據接入電池組的電壓來判斷充電操作從哪個階段開始。第一步判斷電池是否成功接入，若未成功接入，則不進入下一步充電操作；若成功接入電池，則根據電池電壓判斷其進入哪一個充電階段，若電池電壓大于VLOW，則直接進入快速充電階段（電池管理階段）；若電池電壓小于VLOW，則先進入預充階段，等電壓達到VLOW時，再進入快速充電階段（電池管理階段）。在快速充電階段，先進行恒流充電，恒流充到電壓達到恒壓充電的電壓閾值時，再以該電壓進行恒壓充電，恒壓充電過程中電壓不變，電流減小，直到電流減小到截止電流閾值時，電池充電完成。

2.2 充電管理電路設計

充電管理電路圖如圖5所示。基于芯片BQ24105設計的充電管理電路中，D1、D2、D3 狀態顯示燈，分別采用藍色LED、綠色LED、紅色LED 區分不同狀態。C3為安全時間設置電容，按照式（1）對電容值進行計算，其中tCHARGE為充電時間[15]；R9、R10為電位器，用于充電電壓設置，R9、R10選用電位器而不選用電阻，可針對不同的電池組設置不同的充電電壓，即不再需要更換電阻調整充電電壓，只需要調節電位器旋鈕即可，按照式（2）調整合適的電阻值；R1、R5、R6用于設置充電電流，按照式（3）、（4）、（5）選取合適的電阻值[16]。R7、R8用于設置充電溫度區域，按照式（6）和式（7）選取合適的電阻值，其中RTHCOLD、RTHHOT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[17]。式（1）～式（7）如下所示：

2.3 本安保護電路

現有物探儀器普遍在電池組端口串聯2 級二極管與儀器端口相連，充電時，二極管導通，充電電壓通過二極管正極到負極；不充電時，電池自身電壓無法通過二極管負極到正極釋放，二極管起截止作用。

本安保護電路如圖6 所示。用本安保護電路代替二極管保護電路，電路中P1 插座BAT 引腳為電池端，P2 插座BAT 引腳為充電器接入端，C 引腳為繼電器控制端。充電時，C 腳接入5 V 電源，繼電器吸合，電池組開始充電；充電完成時，C 腳5 V 斷開，繼電器關斷，阻斷了電池組與儀器外殼充電端的連接，有效阻止電池電壓外泄，滿足本安要求。

圖6 本安保護電路

3 試驗結果對比

1）應用通用型充電管理系統對電池試驗

應用通用型充電管理系統對錳酸鋰鋰離子電池組（7.4 V/10 Ah）充電，首先確定充電電路參數：充電電壓為8.4 V、充電電流為2 A、預充電電流和充電截止電流為200 mA；然后根據公式計算電路中電容電阻值，具體值如圖5 所示。測試充電管理系統電池缺失功能，不接入電池，觀察充電器充電電流，充電器顯示充電電流為0；測試充電管理電路功能，隨機挑選出10 塊充電板分別對10組錳酸鋰鋰離子電池組（7.4 V/10 Ah）進行充電，其中Vin 端口輸入電壓為10 V。實測關鍵參數：充電電流、充電電壓和充電完成后的放電容量，測試數據如表1 所示。

表1 應用通用性充電管理系統電池組實測參數值

應用原二極管保護電路對同樣的10組錳酸鋰離子電池組（7.4 V/10 Ah）以相同的參數充電，充電器顯示充電電流為0 時，充電完成。其關鍵參數包括充電電流、充電電壓和充電完成后的放電容量，測試數據如表2 所示。

表2 應用原二極管保護電路電池組實測參數

2）結果對比

試驗結果表明，應用二級管充電保護電路試驗的電池組充電電流、充電電壓、放電容量，與應用通用型充電管理系統充電的電池組各參數相比，后者更接近理想情況。后者充電電流實測值與設置值之間最大偏差為3.5%，充電電壓實測值與設置值之間最大偏差2.4%，充電完成后的放電容量與標稱容量誤差不超過1.1%，可以滿足儀器實際供電需求。

4 結束語

針對鋰電池的充電特性，結合芯片BQ24105的工作特性，設計了適用于物探儀器的本安通用型鋰電池充電管理系統，該系統解決了原有充電管理系統充電電壓檢測不精確，因散熱差引起的充電過程異常等問題，使得小體積的鋰電池在物探儀器中可供出幾乎全部電量，降低了鋰電池的損壞風險，延長了儀器的工作時間，提高了儀器工作的可靠性。