專利名稱：鋰電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人的電源系統(tǒng)，特別涉及一種用于具有自動充電功能的群體機器 人的充放電平衡及保護(hù)的鋰電池管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于群體機器人具有強大的信息處理能力、優(yōu)秀的運動性能，同時還保持著小巧 緊湊的特點，所以機器人的電源采用6節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)進(jìn)行供電，以滿足主處理單元 和動力單元的用電。依照鋰電池的充放電要求，電池的管理系統(tǒng)包括恒流恒壓充電單元、放 電欠壓保護(hù)單元、充電過壓保護(hù)電源以及各種短路過載保護(hù)單元等。串聯(lián)使用鋰電池存在 有各節(jié)電池之間充放電的平衡問題盡管串聯(lián)使用鋰電池可以嚴(yán)格保證各節(jié)電池充放電電 流相等，然而由于各節(jié)電池之間本身儲能特性的差異，會導(dǎo)致一部分電池提前充滿，而另一 部分電池會提前放電。如果缺乏必要的充電、放電的平衡管理，久而久之會導(dǎo)致一些電池長 期充電不充分，而另一些電池則會放電不完全，并且差異會累積越來越大。因此，串聯(lián)使用 6節(jié)鋰電池的管理系統(tǒng)需要有一個平衡充電的單元來解決上述的問題。本專利敘述的就是 鋰電池的平衡保護(hù)電路與恒流恒壓電路，見附圖1。隨著鋰電池性能的逐漸提高，其不但能夠用作為傳統(tǒng)移動電子設(shè)備的電源，而且 還可以作為動力電源來使用。但是一般動力電源都需要比較高的電壓，所以幾節(jié)甚至幾十 節(jié)電池串聯(lián)使用時的充電平衡問題成了一個技術(shù)難點。現(xiàn)有的充電平衡法有(1)被動平衡法在電池管理系統(tǒng)中，每節(jié)電池均通過一個開關(guān)連接到一個負(fù)載 電阻上，這種被動平衡電路可以對其中被選中的電池節(jié)單獨放電。該方法只適用于在充電 模式下抑制最強電池節(jié)的電壓攀升，另外為限制功耗，此類電路一般只允許小電流放電，從 而導(dǎo)致充電平衡耗時過長，可高達(dá)幾小時。采用分立元件和通用單片機的被動平衡充電電 路應(yīng)用功率電阻耗能來提高被動平衡放電速度，能夠大大減少充電環(huán)節(jié)中的平衡過程時 間，但是卻因為采用分立元件導(dǎo)致體積過大，而不適合緊湊型的群體機器人的要求。(2)主動平衡法主動平衡法采用一個存儲元件來轉(zhuǎn)移能量，一種是用電容來做 存儲元件，還有一種是將能量存儲在一個磁場中，再使用變壓器來完成能量轉(zhuǎn)換。如果采用 前者，則將儲能電容與所有電池節(jié)相連就需要龐大的開關(guān)陣列；如果采用后者，則平等時采 用的開關(guān)時序要嚴(yán)格正確，否則電池以及其電路就會有短路燒毀的危險，因此其可靠性比 較低。比較以上兩種方案，若采用電容主動平衡法，則開關(guān)陣列難以實現(xiàn)，若采用變壓器 形式的平衡法；則機器人內(nèi)部空間無法加入體積龐大的變壓器，同時開關(guān)時序問題也直接 影響系統(tǒng)的可靠性。因此通過權(quán)衡利弊，被動平衡法充電是一個可行性較高的方法，但是要 解決功耗和充電平衡速度的問題。圖2所示的是一種現(xiàn)有的使用Linear Technology禾口 Texas Instrument芯片的 被動平衡法電路。該電路的優(yōu)缺點如下所述。(1)恒流恒壓電路
優(yōu)點——電路采用Linear Technology公司的LT1769芯片作為恒流恒壓充電器， 根據(jù)6節(jié)鐵鋰電池的要求并且兼顧平衡充電速度和散熱問題，充電電流為1.5A左右，最大 電壓為6X3. 6V = 21. 6V，該芯片基本解決了充電問題。缺陷一該電路正常運行時發(fā)熱量很大，在群體機器人緊湊的狹小空間里惡化了 系統(tǒng)的散熱問題。(2)平衡保護(hù)電路優(yōu)點——電路使用Texas Instrument公司的BQ77PL900芯片來完成電池欠壓、過 壓、短路、過載以及充電平衡功能，使用該芯片完成充電管理功能可以大大減少電池管理模 塊的體積。缺陷——首先，德州儀器的這款芯片是針對普通聚鋰電池設(shè)計的，該芯片在自 動模式運行時，啟動電池平衡的電壓閾值為4. 2V，而單節(jié)鐵鋰電池電壓超過3. 6V后電池 就有過充損壞的危險，因此該芯片不太適合鐵鋰電池，只能通過該芯片的外部MCU(Micro Control Unit)的接口以及靈活的主控模式來實現(xiàn)BQ77PL900對鐵鋰電池的管理。其次，由 于芯片本身功耗限制，其本身的平衡開關(guān)流過電流最大為5mA，這導(dǎo)致電池平衡時間耗時達(dá) 數(shù)小時之久，若采用外部擴流措施進(jìn)行改善，則要使用IV開通閾值的特殊MOS管，這種MOS 管不僅選型非常困難，而且難以在低壓差的條件下開通。總之，電池平衡時間長度問題比較 難解決。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有機器人的被動平衡法鋰電池管理系統(tǒng)功 耗大、散熱困難和充電平衡速度慢的缺陷，提供一種鋰電池管理系統(tǒng)，其采用合理的主控 模式和外部擴流措施，降低元件功耗，從而達(dá)到提高系統(tǒng)充電平衡速度、改善散熱條件的目 的。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種鋰電池管理系統(tǒng)，包括采用LT1769芯片的恒流恒壓電路和采用BQ77PL900 芯片的平衡保護(hù)電路，其特征在于所述恒流恒壓電路包括與LT1769芯片連接的第一開關(guān) 元件和第二開關(guān)元件，該第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件為P溝道場效應(yīng)管，所述第一開關(guān) 元件能夠在充電時保持導(dǎo)通且外部電源短路反接時快速關(guān)斷，所述第二開關(guān)元件能夠在供 電時保持導(dǎo)通且外部連上充電需要時立即關(guān)斷；所述平衡保護(hù)電路包括有PIC18F458單片 機和與所述BQ77PL900芯片相連接的外部擴流電路，該PIC18F458單片機能夠控制電池的 充電平衡，其通過IIC總線與所述BQ77PL900芯片相連接并使之運行于主動控制模式中， 所述外部擴流電路包括第一級放大電路和第二級功率放電電路，該第一級放大電路與所述 BQ77PL900芯片相連接，其包括PNP三極管，該第二級功率放電電路與第一級放大電路連 接，其包括連接功率放電電阻的功率場效應(yīng)管。本發(fā)明所述的鋰電池管理系統(tǒng)中的PIC18F458單片機測量每節(jié)電池電壓值并與 閾值進(jìn)行比較，以判斷各節(jié)電池的平衡，同時，該PIC18F458單片機將電源的運行狀態(tài)信息 傳輸至機器人的中央處理單元；所述第一級放大電路的PNP三極管為9012，所述第二級功 率放電電路的功率場效應(yīng)管為SSM3K302T，所述功率放電電阻的功率為1W。與現(xiàn)有的使用LT1769芯片和BQ77PL900芯片的被動平衡法電路相比較，本發(fā)明所述的鋰電池管理系統(tǒng)采用PIC18F458單片機來實現(xiàn)靈活的BQ77PL900芯片主控模式，同時 采用一級放大和一級功率放電的外部擴流電路，從而兼顧了平衡放電速度和電路體積，達(dá) 到了降低元件功耗、提高充電平衡速度的效果；本發(fā)明還采用P溝道場效應(yīng)管(MOSFET)來 替代者兩個肖特基二極管，以解決MOSFET控制極電壓給定和快速關(guān)斷的問題，從而改善了 整個線路板和系統(tǒng)的散熱。總之，本發(fā)明所述的鋰電池管理系統(tǒng)具有充電平衡速度快、元件功耗低、散熱條件 好的優(yōu)點，能夠用于具有自動充電功能的群體機器人中，實現(xiàn)對機器人鋰電池充放電平衡 及保護(hù)的優(yōu)化管理。
圖1是機器人鋰電池電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2是現(xiàn)有的被動平衡法鋰電池管理系統(tǒng)的電路簡圖。圖3是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡圖。圖4是本發(fā)明恒流恒壓電路的電路結(jié)構(gòu)簡圖。圖5是本發(fā)明平衡保護(hù)電路的電路結(jié)構(gòu)簡圖。圖6是PIC18F458單片機的主程序總流程圖。圖7是采集鋰電池電壓與工作狀態(tài)的子程序流程圖。圖8是鋰電池管理主狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖9-圖14是本發(fā)明實際運行得到的各節(jié)鋰電池的電壓變化曲線圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。請參閱圖3本發(fā)明的一個具體實施例的電路簡圖，圖示鋰電池管理系統(tǒng)用于對具 有自動充電功能的群體機器人的鋰電池進(jìn)行充放電平衡及保護(hù)管理。該鋰電池管理系統(tǒng)包 括采用LT1769芯片的恒流恒壓電路和采用BQ77PL900芯片的平衡保護(hù)電路，其在圖2所示 的現(xiàn)有的被動平衡法鋰電池管理系統(tǒng)的電路方案的基礎(chǔ)上共作出3處改進(jìn)1、本發(fā)明的恒流恒壓電路包括與LT1769芯片連接的第一開關(guān)元件Ql和第二開關(guān) 元件Q2，該第一開關(guān)元件Ql和第二開關(guān)元件Q2為P溝道場效應(yīng)管，見圖3中的虛線框(3)； 該第一開關(guān)元件Ql能夠在充電時保持導(dǎo)通且外部電源短路反接時快速關(guān)斷，該第二開關(guān) 元件Q2能夠在供電時保持導(dǎo)通且外部連上充電需要時立即關(guān)斷。由于機器人內(nèi)部空間有限，并且充電芯片LT1769正常運行時發(fā)熱量很大，如果其 他器件也有嚴(yán)重的功率耗散就會加劇整個線路板和系統(tǒng)的散熱問題。因此，本發(fā)明采用P 溝道MOSFET (場效應(yīng)管)來替代者圖2所示現(xiàn)有技術(shù)方案中的兩個肖特基二極管，供并且 解決MOSFET控制極電壓給定和快速關(guān)斷的問題。首先，第二開關(guān)元件Q2的作用是當(dāng)電池供電時保持開通，而在外部連上充電需要 時立即關(guān)斷。再請參閱圖4本發(fā)明恒流恒壓電路的電路結(jié)構(gòu)簡圖，元件Dl、Rl和DZ2組成 第二開關(guān)元件Q2的柵極控制電路，當(dāng)所述鋰電池管理系統(tǒng)突然連入充電站后(見圖1)，外 接電壓會直接通過元件Dl迅速把第二開關(guān)元件Q2關(guān)斷以防止外接電源對鋰電池的直通短 路。如果這時把充電斷開或者外接電路短路或反接，由于第一開關(guān)元件Ql迅速關(guān)斷，元件Dl受反壓阻斷，然后第二開關(guān)元件Q2柵極電荷會緩慢地從電阻Rl釋放，直到元件DZ2擊穿 穩(wěn)壓；因為第二開關(guān)元件Q2本身的寄生二極管存在，所以從外接電源斷開到第二開關(guān)元件 Q2打開的幾毫秒時間內(nèi)供電不會出現(xiàn)斷檔。因此第二開關(guān)元件Q2設(shè)置為快關(guān)慢開的形式 是完全可行的。其次，第一開關(guān)元件Ql的作用是在正常充電時保持導(dǎo)通，而在外部電源短路反接 時快速關(guān)斷。再請參閱圖4，元件R2、R3、R4、D2、D3、DZU Cl和PNP三極管9012組成第一 開關(guān)元件Ql的柵極驅(qū)動電路，通常第一開關(guān)元件Ql在未充電時為關(guān)斷狀態(tài)，所以柵極通過 R2連接在電池端。充電工作時，PWM波形的低電平、元件D2和柵源極之間的分布電容形成的 峰值保持電路以及元件DZl和R3組成的保護(hù)電路，使得柵極可以保持對源極-16V的電壓。 電路中元件Cl的作用是加速第一開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通與關(guān)斷。PWM剛工作時，元件DZ1、Cl 和Dl提供一個快速拉低柵極的回路，當(dāng)外部電源出現(xiàn)短路或反接時，三極管9012的導(dǎo)通加 上元件Cl本身帶有的電壓的自舉作用，會使第一開關(guān)元件Ql的柵極瞬間抬高，使得第一開 關(guān)元件Ql快速關(guān)斷。而由于三極管9012控制PN結(jié)只能承受-5V的反向電壓，所以元件D3 的作用是給這個控制PN結(jié)作保護(hù)，使得其電壓最大只能維持在-0. 7V左右，元件R4則為元 件D3和三極管9012的限流電阻承受工作時主要的電壓降。2、本發(fā)明的平衡保護(hù)電路包括有PIC18F458單片機和與所述BQ77PL900芯片相連 接的外部擴流電路。該PIC18F458單片機能夠控制鋰電池的充電平衡，其通過IIC總線與 所述BQ77PL900芯片相連接并使之運行于主動控制模式中，見圖3中的虛線框(1)。本發(fā)明使用一塊PIC18F458單片機通過IIC總線使電池管理芯片BQ77PL900運行 于主動控制模式，并由單片機PIC18F458來控制鋰電池的充電平衡。其基本原理是通過IIC 總線命令寫入芯片BQ77PL900，使其電壓輸出端所測量的各節(jié)電池電壓之間循環(huán)切換。這樣 就可以通過單片機PIC18F458自帶的ADC來測量每節(jié)電池的電壓值，經(jīng)過適當(dāng)轉(zhuǎn)換就可以 和3. 6V閾值進(jìn)行比較來判斷進(jìn)行各電池的平衡。同時，單片機PIC18F458的CAN總線收發(fā) 模塊又可以將電源的各種運行狀態(tài)信息傳輸至機器人的中央處理單元。3、本發(fā)明的平衡保護(hù)電路的外部擴流電路包括第一級放大電路和第二級功率放 電電路，該第一級放大電路與所述BQ77PL900芯片相連接，其包括PNP三極管9012，該第二 級功率放電電路與第一級放大電路連接，其包括功率場效應(yīng)管SSM3K302T，該功率場效應(yīng)管 SSM3K302T連接功率為IW的功率放電電阻，見圖3中的虛線框(2)。由于所述BQ77PL900芯片本身功耗的限制，該BQ77PL900芯片自帶的平衡開 關(guān)流過電流最大只有5mA，這導(dǎo)致電池平衡時間耗時長達(dá)幾小時之久，因此需要對所述 BQ77PL900芯片的平衡電流采用功率電阻進(jìn)行擴流。請參閱圖5所示平衡保護(hù)電路的電 路結(jié)構(gòu)簡圖，由于3. 6V電壓時內(nèi)部FET打開700 Ω電阻上的壓降只有0. 8V，這樣第一級 放大電路只能一個PNP三極管9012打開，由于PNP基極電流限制，實測中電流放大倍數(shù)為 250的三極管最多只能放大到70mA左右電流，為了更高速率地放電，所以選擇100 Ω電阻 連接于三極管9012的集電極，此時三極管9012飽和導(dǎo)通，在放電功率MOSFET (場效應(yīng)管) SSM3K302T的GS極之間形成3. 6-0. 6 = 3V的壓差，而SSM3K302T為1. 8V導(dǎo)通閾值、導(dǎo)通電 阻為87πιΩ的功率M0SFET(功率場效應(yīng)管)，所以第二級功率管可以被完全開通。為了兼顧 系統(tǒng)的平衡充電速度、功耗以及電路體積，每節(jié)電池使用2個IW的功率電阻實現(xiàn)大于300mA 的平衡放電電流，此時二電阻總共損耗的功率為3. 6VX0. 3A = 1. 08W，對于2W的上限以及過壓電池單元輪流平衡放電的控制策略，所述鋰電池管理系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地在緊湊的空 間里運行，這樣既可以兼顧平衡階段的速度與電路體積，又可以方便元件選型與實現(xiàn)。以下為本發(fā)明所述的鋰電池管理系統(tǒng)控制軟件的工作流程以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。請參閱圖6所示PIC18F458單片機主程序總流程圖，PIC18F458單片機主程序流程 中鋰電池管理主要分兩部分，一部分是采集鋰電池運行的各種信息，包括各節(jié)電池的電壓、 芯片是否觸發(fā)保護(hù)動作以及當(dāng)前平衡信息；另一部分是，根據(jù)采集的信息來判斷鋰電池關(guān) 機主狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，同時狀態(tài)機給出相應(yīng)的命令寫入BQ77PL900芯片使其正確動作。(1)采集信息程序的具體流程如圖7所示。為了使采集到的電壓值具有一定精準(zhǔn) 性，采集時鋰電池的充電和平衡都要關(guān)閉，所以，在關(guān)閉動作執(zhí)行之前，需要讀取當(dāng)前狀態(tài) 以便采集電壓之后恢復(fù)。采集電壓時充電開關(guān)關(guān)閉會使充電效率有所降低，采集時間主要 與通行時間以及芯片內(nèi)部切換電容保持時間常數(shù)有關(guān)，實驗驗證為4ms就可以完成所有的 采集工作，而采集程序每200ms才被運行一次，所以犧牲1/50的速度換取不受電池內(nèi)阻影 響的準(zhǔn)確電池電壓是可以接受的。(2)請參閱圖8電池管理主狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。普通情況下鋰電池的充電和放電 都屬于狀態(tài)機里的“正常”狀態(tài)，每次程序在“正?！睜顟B(tài)時，只要判斷各節(jié)電池有沒有超過 3. 6V以便及時跳轉(zhuǎn)到“平衡”態(tài)，另外還判斷從芯片寄存器讀出的狀態(tài)標(biāo)志以便跳轉(zhuǎn)至“保 護(hù)”狀態(tài)，判斷結(jié)束后程序立即跳出，直到下一次定時器的觸發(fā)。只要有一節(jié)鋰電池發(fā)生過 壓，狀態(tài)機就跳轉(zhuǎn)至“平衡”狀態(tài)，在平衡狀態(tài)時，程序查找高于3. 57V的電池節(jié)，由于芯片 耐壓原因，各節(jié)電池只能分別進(jìn)行平衡，直到所有電池節(jié)都低于3. 57V后充電開關(guān)打開繼 續(xù)正常充電。無論狀態(tài)機處于“平衡”還是“正?！睜顟B(tài)，一旦讀到芯片寄存器中的異常狀態(tài) 置位了后，立即跳轉(zhuǎn)至“保護(hù)”狀態(tài)，通過200ms的基準(zhǔn)等待25個保護(hù)循環(huán)，就向芯片寫入 恢復(fù)命令，來嘗試異常狀態(tài)是否解除，如果錯誤沒有解除，芯片會自動進(jìn)行新的保護(hù)動作。為了直觀地顯示各節(jié)電池運行狀態(tài)與電壓，調(diào)試時采用RS232串口向PIC18F458 單片機傳送所有信息，在PIC18F458單片機端使用National Instrument公司開發(fā)圖形化 編程平臺LabVIEW來制作電池監(jiān)控程序。以下為本發(fā)明所述系統(tǒng)一次實際運行的測試數(shù)據(jù)與結(jié)果。圖9-圖14紀(jì)錄的是6節(jié)鋰電池各自的電壓變化曲線。從圖9-圖14中任一圖中 可以看到，電池電壓在平衡時的曲線一直在3. 57V-3. 61V之間振蕩，平衡階段時間則逐漸 變長，因為最后一次的平衡時，所有電池基本都已經(jīng)到達(dá)3. 57V以上。來看最后一次平衡的 時間，圖中表明最后一次完整的平衡過程是開始于600采樣點左右，而結(jié)束于950采樣點左 右，根據(jù)200ms的采樣率計算(950-600) X0. 2 = 70s，也就是說分別平衡6節(jié)電池的時間 為1分10秒左后，這比現(xiàn)有技術(shù)中動輒30分鐘到40分鐘的平衡時間大大縮短，保守地估 計，如果充電過程需要經(jīng)歷10次這樣極端的平衡時間，總平衡時間也不會高于15分鐘。所 以本發(fā)明所述的鋰電池管理系統(tǒng)大大地提高了電池充電速度；此外，用于開關(guān)使用的功率 管開通電阻都小于15πιΩ，所以回路上開關(guān)功率器件正常運行時都無法感覺到溫升?？傊?， 本發(fā)明可以順利的使用在Swarm等群機器人中。
權(quán)利要求
一種鋰電池管理系統(tǒng)，包括采用LT1769芯片的恒流恒壓電路和采用BQ77PL900芯片的平衡保護(hù)電路，其特征在于所述恒流恒壓電路包括與LT1769芯片連接的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，該第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件為P溝道場效應(yīng)管，所述第一開關(guān)元件能夠在充電時保持導(dǎo)通且外部電源短路反接時快速關(guān)斷，所述第二開關(guān)元件能夠在供電時保持導(dǎo)通且外部連上充電需要時立即關(guān)斷；所述平衡保護(hù)電路包括有PIC18F458單片機和與所述BQ77PL900芯片相連接的外部擴流電路，該PIC18F458單片機能夠控制電池的充電平衡，其通過IIC總線與所述BQ77PL900芯片相連接并使之運行于主動控制模式中，所述外部擴流電路包括第一級放大電路和第二級功率放電電路，該第一級放大電路與所述BQ77PL900芯片相連接，其包括PNP三極管，該第二級功率放電電路與第一級放大電路連接，其包括連接功率放電電阻的功率場效應(yīng)管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述PIC18F458單片機測量 每節(jié)電池電壓值并與閾值進(jìn)行比較，以判斷各節(jié)電池的平衡，同時，該PIC18F458單片機將 電源的運行狀態(tài)信息傳輸至機器人的中央處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述第一級放大電路的PNP 三極管為9012，所述第二級功率放電電路的功率場效應(yīng)管為SSM3K302T，所述功率放電電 阻的功率為1W。
全文摘要
一種鋰電池管理系統(tǒng)，包括采用LT1769芯片的恒流恒壓電路和采用BQ77PL900芯片的平衡保護(hù)電路，該恒流恒壓電路包括與LT1769芯片連接的由P溝道場效應(yīng)管構(gòu)成的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，該第一開關(guān)元件能夠在充電時保持導(dǎo)通且外部電源短路反接時快速關(guān)斷，該第二開關(guān)元件能夠在供電時保持導(dǎo)通且外部連上充電需要時立即關(guān)斷；平衡保護(hù)電路包括有PIC18F458單片機和外部擴流電路，該PIC18F458單片機與BQ77PL900芯片相連接并使之運行于主動控制模式中，該外部擴流電路包括放大電路和功率放電電路，該放大電路包括PNP三極管且與BQ77PL900芯片相連接，該功率放電電路與放大電路連接，包括連接功率放電電阻的功率場效應(yīng)管。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人鋰電池充放電平衡及保護(hù)的優(yōu)化管理。
文檔編號H02J7/00GK101997328SQ20101057826
公開日2011年3月30日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者劉磊, 吳越鵬, 林璘, 許曉鳴, 金愛娟 申請人:上海理工大學(xué)