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基于可編程邏輯的便攜式設備多節鋰聚合物電池管理

鉅大LARGE  |  點擊量:848次  |  2020年05月29日  

便攜式設備的便攜性是與電池的發展息息相關的,從最初的鉛酸電池、鎳鎘(Ni-Cd)電池發展到鎳氫(Ni-H)、鋰離子(Li-ion)電池一直到最近的鋰聚合物(Li-polymer)電池,能量密度逐步提高,移動性能越來越強,電池的缺點也不斷被克服。本文就將介紹一個便攜式鋰聚合物電池的管理系統設計。


系統整體結構本設計的應用實體是一個工業上使用的便攜式設備,采用Altera的FpGA和其上的NIOSII嵌入式處理器,并使用USB接口與電腦相連接,面向的是大數據量應用。這個設備要30V直流電壓,所以計劃使用4個1000mAh鋰聚合物電池串聯的電池組;另外,出于防水防塵的考慮,對外只使用一個方形的USB接口(USBBTypeSocket),這個USB口同時兼具數據傳輸和充電的功能。


整體結構如圖1所示。控制核心包括FpGA及其所連的接口、顯示電路,要3.3V的低電壓,由高效率的DC/DC芯片從4芯鋰離子電池組直接降壓得到。這個電壓很重要,所以要保持穩定且持續,除非電池組低電量或者過流保護,否則此電壓一直供給。


圖1系統整體結構框圖


執行機構要30V直流電壓,電流大約80mA左右,使用一個升壓DC/DC電路,這個電路由控制核心操縱,平時是不工作的,只在要動作之前開啟。


充電使用外部20V電源,通過USB接口連接。使用這種電源的考慮是為了進行1C或0.5C大電流高速充電。由于與普通USB共用一個端口,為了防止接入普通USB時進入充電程序,要一個電壓判斷電路進行判斷。由于合乎要的芯片解決方法市場上很難尋覓,決定使用FpGA的剩余邏輯資源來實現充電器的控制功能,添加少量的模擬電路來輔助。這就要求對控制電路的供電不能中斷,電池組必須一直在線,并且電池負極要一直與GND連接。


電池電路1電壓采樣最重要的部分就是電壓采樣電路的設計,要求精度高并且受溫度影響小。這個設計難點在于電池電壓關于GND而言是浮動的。很多方法采取了差分運放轉換到對地電壓然后輸入專用ADC進行AD變換的方法。但這個方法由于引入了差分運放,出現了許多問題。首先,電壓比較高,運放很難找;其次,運放的電源與輸入電壓使用同一個電源,這樣一來就要求運放要軌到軌輸入的功能;再次,可能還要一個負電源,使用DC/DC又引入了噪聲;另外,運放及使用匹配的電阻使得精度降低。


圖2RC充電電路


為了盡量簡化電路,這里構造了積分型的ADC,將FpGA按時的高精度轉化為電壓測量的高精度。這是一個簡單的RC充電電路(見圖2)。其工作流程是:J1先閉合,釋放C1上的電荷;然后J1打開,由R1對C1進行充電;電壓比較器U1將C1上的電壓與參考電壓V2比較,當C1電壓超過V2時輸出高電平。統計從J1打開到U1輸出高電平之間的時間,便可以確定V1的電壓大小。可以直觀地看出,V1越高,這段時間越短。實際的電路如圖3所示,注意這幅圖只畫出了第一個電池的測量電路。其中,R1與C1便是積分使用的電阻與電容,Q1是常用的p-MOSFET,這里用來實現J1給電容放電的功能,U5同時實現電壓基準與電壓比較器雙重功能。X1是放電控制,來自FpGA,X2是開關量輸出,去往FpGA。電壓比較器選用的是美信公司的MAX921。


圖3實際取樣電路圖


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