田 侃，肖 融

應用研究

基于BQ76930的充放電管理板設計

田 侃，肖 融

（武漢船用電力推進裝置研究所化學電源事業(yè)部，武漢 430064）

本文設計了一種基于BQ76930電池管理芯片的8串電池充放電管理板，BQ76930可通過使能/禁用集成電路（IC）中的子模塊來控制整個芯片的電流消耗。本文詳細描述了充放電管理板的設計內(nèi)容，包含芯片的選型、硬件電路的設計以及軟件設計。充放電管理板的驗證試驗表明該充放電管理板功能齊全，功耗低。同時，利用軟件可實現(xiàn)各種保護參數(shù)的設定，該管理板具有廣泛的適用性。

BQ76930 充放電管理板 低功耗

0 引言

隨著不可再生資源的減少和環(huán)境的日益惡化，國家對新能源扶持政策逐漸加大，新能源受到越來越多的關注[1]。隨著電池的使用場景快速增加，電池的管理系統(tǒng)重要性日益體現(xiàn)，因為電化學反應的難以控制和活性材料在使用過程中時刻變化，同時電池在使用過程中由于自身的特性，各種不良的因素都會對電池的使用造成很大的安全隱患，主要包含電池過充、過放、電池組溫度過高及主回路短路[2]。因此，在使用電池組的同時，必須配備電池管理板，對鋰離子電池組的使用進行管理，從而保證鋰離子電池組的安全有序運行，同時延長其使用壽命。電池管理板通過實時檢測電池組的電壓溫度和充放電回路的電流來控制回路的通斷，防止由于過充、過放等因素對電池造成不可逆的損傷[3]。同時可以通過上位機實時顯示電池的容量，并通過存儲芯片對歷史數(shù)據(jù)進行存儲。

當前和電池管理系統(tǒng)相關的研究有很多，普遍存在電路復雜的問題，同時管理板本身的功耗較高，不適應需要長期儲存使用的管理板設計需求。針對用戶的需求，本文利用BQ76930芯片可同時處理10節(jié)串聯(lián)電池的采樣，支持多達3個熱敏電阻，并具備一個單獨的內(nèi)部ADC電流測量模塊，通過I2C兼容接口，同時控制電池信號檢測單元和存儲單元的活動，設計了一款功能齊全結構簡單且長期使用功耗低的電池管理板[4～5]。

1 充放電管理板架構

本充放電管理板主要用于八串的三元鋰離子電池組，該管理板可以保障電池組安全有效的運行[6～8]，其主要功能有：

1）準確的估測電池組的荷電狀態(tài)和低壓報警功能：上位機實時檢測電池的狀態(tài)，保證電池容量維持在合理的范圍內(nèi)。當電池組單體電壓低于低壓報警設定值或者電池組總壓低于低壓設定值時，上位機顯示報警狀態(tài)信息，待充電至解除低壓報警值時報警解除。

2）放電低壓保護功能：當電池組單體電芯電壓低于截止電壓或電池組總壓低于設定值時，電池組充放電均斷開。

3）高溫保護功能：通過溫度傳感器實時檢測電池組內(nèi)部溫度，一旦溫度超過保護設定值時，電池組充放電斷開，待溫度恢復正常后，管理板可正常使用。

4）短路保護功能：當電池組輸出短接時，電池組充放電回路斷開，短路解除后管理板可正常使用。

5）過流保護功能：當管理板檢測到主回路電流超過過流保護設定值時，電池組充放電回路斷開，切換負載后可恢復正常使用。

6）充電過壓保護功能：當電池組單體電芯電壓超過設定值或總壓超過設定值時，電池組進入過壓保護。

7）均衡功能：對充電過程中單體電芯電壓實時監(jiān)控，當任意兩個電芯電壓差超過設定值時，管理板通過電阻進行均衡從而保證單體電芯電壓差在一定范圍內(nèi)。

2 充放電管理板設計

根據(jù)電池組的成組方式，充放電管理板主要包括電池信號檢測單元、存儲單元、管理控制單元等模塊，其基本框架如圖1所示。通過對功能與結構進行模塊化設計，提高管理系統(tǒng)的可靠性和維修性。保護板采取控負極的控制方式，所有設備的正極均與電池組的正極直接相連。為了提高電流采樣精度，減少載流量不夠引起的發(fā)熱等問題，當一組接線端子數(shù)量有多個時，需將所有端子線并接口輸入或者輸出。

圖1 充放電管理板方案框圖

1）電池信號檢測單元

信號檢測單元主要包括電壓溫度采樣芯片以及外圍采樣電路，可以實時檢測8路電池單體電壓、2路電池溫度以及電池電流。

2）存儲單元

存儲單元主要包含片外FLASH存儲器及相關外圍電路，用于電池電壓、溫度、電流、SOC、故障報警狀態(tài)等工作數(shù)據(jù)的存儲。

3）管理控制單元

管理控制單元主要包括單片機芯片CKS32F103RBT6以及MOS溫度檢測、開關檢測、充放電控制、通信等相關外圍電路，是充放電管理板的檢測、控制和通訊中樞；管理控制單元也同時控制電池信號檢測單元和存儲單元的活動。

3 硬件電路設計

3.1 電池信號檢測單元設計

電池信號檢測單元芯片采用TI公司生產(chǎn)的BQ76930，可同時處理10節(jié)串聯(lián)電池的采樣，直接支持多達3個熱敏電阻，并具備一個單獨的內(nèi)部ADC電流測量模塊，通過I2C兼容接口，可將采樣數(shù)據(jù)上傳給管理控制單元。

1）電池電壓溫度檢測

BQ76930檢測8串電池單體電壓和2路溫度，電壓檢測精度±20 mV，溫度檢測精度±2℃，采樣周期不大于500 ms。溫度檢測借助5 K 3950的NTC貼片電阻將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到BQ76930，通過I2C接口上傳給管理控制單元進行處理。

2）電流檢測

BQ76930使用內(nèi)部ADC電流測量模塊對電池工作電流進行檢測，采樣周期不大于500 ms，外圍采樣電路利用4并3 mΩ的采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，BQ76930采集電壓信號，最終通過I2C接口上傳給管理控制單元進行處理，采樣電路如圖2所示。

3）存儲單元設計

存儲芯片使用上海貝嶺生產(chǎn)的BL24C526存儲器。BL24C526存儲器具有1.7～5.5 V的寬輸入電壓，256 Kbit的存儲容量，64 Byte的頁操作模式，擦寫壽命多達100萬次。管理控制單元通過I2C接口控制BL24C526存儲器實時存儲電池運行數(shù)據(jù)，存儲內(nèi)容與通信協(xié)議的數(shù)據(jù)范圍保持一致。存儲周期5s，存儲長度不少于360條（0.5 h）。

存儲單元硬件電路設計如下圖3所示。

圖3 存儲單元電路

3.2 管理控制單元設計

管理控制單元單片機芯片使用CKS32F103RBT6。CKS32F103RBT6主頻高達72MHz，具有128 KB的片內(nèi)FLASH，20 kB的靜態(tài)RAM，2路I2C通信接口可分別與電池信號檢測單元和存儲單元進行通信，同時具備2個12位AD轉(zhuǎn)換模塊和多達51個通用GPIO口，用于信號檢測和驅(qū)動控制。

1）MOS管溫度檢測

管理控制單元利用CKS32F103RBT6的AD轉(zhuǎn)換模塊檢測1路MOS管溫度。溫度信號借助10 K熱敏電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，在單片機內(nèi)部利用電路變換關系換算成實際溫度。溫度采樣電路設計如圖4所示。

圖4 溫度采樣電路

2）充放電開關檢測、控制

電池組管理板通過開關實現(xiàn)對電池組放電的控制。用戶操作模式開關后，管理控制單元根據(jù)檢測信號，驅(qū)動控制充放電MOS開關動作。

3）通信電路

管理控制單元使用RS232總線與總體進行通信，通信隔離芯片使用ADI公司生產(chǎn)的高穩(wěn)定高可靠性的ADM101E，電路設計如下圖5所示。

圖5 RS232通信電路

4）電源電路

管理控制單元從電池組取電，通過電源模塊TPS62172DSGR、IB1205S-W75R3和LM5163轉(zhuǎn)換為單片機CKS32F103RBT6、通信隔離芯片ADM101E以及充放電MOS開關驅(qū)動電源，其中TPS62172DSGR輸出單片機用電3.3 V，IB1205S-W75R3輸出通信隔離芯片5 V用電，LM5163輸出12 V充放電MOS管驅(qū)動控制用電。

4 軟件設計

充放電管理板實時監(jiān)控電池組的工作狀態(tài)，根據(jù)軟件設定值，執(zhí)行告警、應急處理措施。電池組工作過程包含三種狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)以及休眠狀態(tài)。

在充電狀態(tài)時，單片機通過識別處理前端芯片的傳遞信息，使充電MOS打開，充電直至設定值。如果檢測到過壓、過流、短路、過溫等異常情況時會關閉充電MOS管并在上位機給出相應的報警提示。放電狀態(tài)程序運行過程和充電狀態(tài)一樣，區(qū)別在于電壓保護參數(shù)的不同，充電時設定單體電芯過壓和電池組總壓過壓保護，放電時設定單體電芯欠壓和電池組總壓欠壓保護。單片機程序執(zhí)行遵循相應的邏輯。

在實際的工作過程中，電池組的電壓電流和溫度等參數(shù)通過前端芯片實時采集，通過I2C通訊傳遞給單片機，單片機根據(jù)采集的狀態(tài)信息根據(jù)程序的流程作出相應的處理，通過對硬件電路的控制實現(xiàn)對電池組的控制，從而達到控制目的。

5 試驗驗證

為滿足充放電設計要求，本方案采用充放電分口設計，即充電口和放電口時分別通過獨立的開關連接到電池端。具體設計和實物見圖6。

5.1 電池組過充試驗保護試驗結果

對電池組中8串電池單體的數(shù)據(jù)采樣分析，對電池單體過充電壓作圖如圖7所示，從圖中可以看出2號電池單體在電壓為4.247 V時直接進入保護，電池組停止充電，電壓下降。圖7中上位機采集到的2#電池單體由于過充，進入過壓保護一致。

圖7 過充試驗保護結果

5.2 電池組過放試驗保護試驗結果

對電池組中8串電池單體的數(shù)據(jù)采樣分析，對電池單體過放電壓作圖8所示，從圖中可以看出3#電池單體在電壓為2.799 V時直接進入保護，電池組停止放電，電壓下降。和圖8中上位機采集到的3#電池單體由于過放，進入過放保護一致。

圖8 過放試驗保護結果

6 結語

本文基于電池管理芯片BQ76930，設計了一個八串的電池充放電管理板，通過對板子進行功能測試，管理板滿足各項設計指標，并且該管理板結構相對簡單，空間利用率高，尺寸小同時實現(xiàn)了所需求的功能，同時通過軟件實現(xiàn)保護參數(shù)可設置，根據(jù)用戶的需求調(diào)整相應的參數(shù)，增加了保護板應用范圍。通過使用BQ76930電池管理芯片和對硬件電路的合理設計，管理板功耗低，電池的容量得以更好地利用，極大的增加了電池組在長期存貯環(huán)境下的使用時間。

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Design of charge and discharge management board based on the chip of BQ76930

Tian Kan, Xiao Rong

(Chemical Power Division of Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

A

1003-4862（2022）05-0052-04

2021-10-21

田侃（1993-），男，助理工程師。專業(yè)方向：新能源動力電池。E-mail:kantian0827@163.com