專利名稱：鋰電池管理系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人的電源系統，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的鋰電池管理系統。
背景技術：
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)磷酸鐵鋰電池串聯進行供電，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，電池的管理系統包括恒流恒壓充電單元、放 電欠壓保護單元、充電過壓保護電源以及各種短路過載保護單元等。串聯使用鋰電池存在 有各節(jié)電池之間充放電的平衡問題盡管串聯使用鋰電池可以嚴格保證各節(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，串聯使用 6節(jié)鋰電池的管理系統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移動電子設備的電源，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)電池串聯使用時的充電平衡問題成了一個技術難點。現有的充電平衡法有(1)被動平衡法在電池管理系統中，每節(jié)電池均通過一個開關連接到一個負載 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 而導致充電平衡耗時過長，可高達幾小時。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陣列；如果采用后者，則平等時采 用的開關時序要嚴格正確，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，則開關陣列難以實現，若采用變壓器 形式的平衡法；則機器人內部空間無法加入體積龐大的變壓器，同時開關時序問題也直接 影響系統的可靠性。因此通過權衡利弊，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 系統的散熱問題。(2)平衡保護電路優(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，其本身的平衡開關流過電流最大為5mA，這導致電池平衡時間耗時達 數小時之久，若采用外部擴流措施進行改善，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?？傊?，電池平衡時間長度問題比較 難解決。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有機器人的被動平衡法鋰電池管理系統功 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，其采用合理的主控 模式和外部擴流措施，降低元件功耗，從而達到提高系統充電平衡速度、改善散熱條件的目 的。本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案如下一種鋰電池管理系統，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 元件和第二開關元件，該第一開關元件和第二開關元件為P溝道場效應管，所述第一開關 元件能夠在充電時保持導通且外部電源短路反接時快速關斷，所述第二開關元件能夠在供 電時保持導通且外部連上充電需要時立即關斷；所述平衡保護電路包括有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管。本發(fā)明所述的鋰電池管理系統中的PIC18F458單片機測量每節(jié)電池電壓值并與 閾值進行比較，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管為SSM3K302T，所述功率放電電阻的功率為1W。與現有的使用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采用PIC18F458單片機來實現靈活的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 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斷的問題，從而改善了 整個線路板和系統的散熱?？傊?，本發(fā)明所述的鋰電池管理系統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，實現對機器人鋰電池充放電平衡 及保護的優(yōu)化管理。


圖1是機器人鋰電池電源系統的結構簡圖。圖2是現有的被動平衡法鋰電池管理系統的電路簡圖。圖3是本發(fā)明的電路結構簡圖。圖4是本發(fā)明恒流恒壓電路的電路結構簡圖。圖5是本發(fā)明平衡保護電路的電路結構簡圖。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。
具體實施例方式現結合具體實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細說明。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用于對具 有自動充電功能的群體機器人的鋰電池進行充放電平衡及保護管理。該鋰電池管理系統包 括采用LT1769芯片的恒流恒壓電路和采用BQ77PL900芯片的平衡保護電路，其在圖2所示 的現有的被動平衡法鋰電池管理系統的電路方案的基礎上共作出3處改進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元件Ql和第二開關 元件Q2，該第一開關元件Ql和第二開關元件Q2為P溝道場效應管，見圖3中的虛線框(3)； 該第一開關元件Ql能夠在充電時保持導通且外部電源短路反接時快速關斷，該第二開關 元件Q2能夠在供電時保持導通且外部連上充電需要時立即關斷。由于機器人內部空間有限，并且充電芯片LT1769正常運行時發(fā)熱量很大，如果其 他器件也有嚴重的功率耗散就會加劇整個線路板和系統的散熱問題。因此，本發(fā)明采用P 溝道MOSFET (場效應管)來替代者圖2所示現有技術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斷的問題。首先，第二開關元件Q2的作用是當電池供電時保持開通，而在外部連上充電需要 時立即關斷。再請參閱圖4本發(fā)明恒流恒壓電路的電路結構簡圖，元件Dl、Rl和DZ2組成 第二開關元件Q2的柵極控制電路，當所述鋰電池管理系統突然連入充電站后(見圖1)，外 接電壓會直接通過元件Dl迅速把第二開關元件Q2關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，由于第一開關元件Ql迅速關斷，元件Dl受反壓阻斷，然后第二開關元件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元件 Q2打開的幾毫秒時間內供電不會出現斷檔。因此第二開關元件Q2設置為快關慢開的形式 是完全可行的。其次，第一開關元件Ql的作用是在正常充電時保持導通，而在外部電源短路反接 時快速關斷。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 開關元件Ql的柵極驅動電路，通常第一開關元件Ql在未充電時為關斷狀態(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元件Ql的導通與關斷。PWM剛工作時，元件DZ1、Cl 和Dl提供一個快速拉低柵極的回路，當外部電源出現短路或反接時，三極管9012的導通加 上元件Cl本身帶有的電壓的自舉作用，會使第一開關元件Ql的柵極瞬間抬高，使得第一開 關元件Ql快速關斷。而由于三極管9012控制PN結只能承受-5V的反向電壓，所以元件D3 的作用是給這個控制PN結作保護，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，經過適當轉換就可以 和3. 6V閾值進行比較來判斷進行各電池的平衡。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，其包括功率場效應管SSM3K302T，該功率場效應管 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 關流過電流最大只有5mA，這導致電池平衡時間耗時長達幾小時之久，因此需要對所述 BQ77PL900芯片的平衡電流采用功率電阻進行擴流。請參閱圖5所示平衡保護電路的電 路結構簡圖，由于3. 6V電壓時內部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飽和導通，在放電功率MOSFET (場效應管) SSM3K302T的GS極之間形成3. 6-0. 6 = 3V的壓差，而SSM3K302T為1. 8V導通閾值、導通電 阻為87πιΩ的功率M0SFET(功率場效應管)，所以第二級功率管可以被完全開通。為了兼顧 系統的平衡充電速度、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。以下為本發(fā)明所述的鋰電池管理系統控制軟件的工作流程以及狀態(tài)轉移過程。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)保護動作以及當前平衡信息；另一部分是，根據采集的信息來判斷鋰電池關 機主狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉，同時狀態(tài)機給出相應的命令寫入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 性，采集時鋰電池的充電和平衡都要關閉，所以，在關閉動作執(zhí)行之前，需要讀取當前狀態(tài) 以便采集電壓之后恢復。采集電壓時充電開關關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部切換電容保持時間常數有關，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阻影 響的準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?！睜顟B(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以便及時跳轉到“平衡”態(tài)，另外還判斷從芯片寄存器讀出的狀態(tài)標志以便跳轉至“保 護”狀態(tài)，判斷結束后程序立即跳出，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)電池只能分別進行平衡，直到所有電池節(jié)都低于3. 57V后充電開關打開繼 續(xù)正常充電。無論狀態(tài)機處于“平衡”還是“正常”狀態(tài)，一旦讀到芯片寄存器中的異常狀態(tài) 置位了后，立即跳轉至“保護”狀態(tài)，通過200ms的基準等待25個保護循環(huán)，就向芯片寫入 恢復命令，來嘗試異常狀態(tài)是否解除，如果錯誤沒有解除，芯片會自動進行新的保護動作。為了直觀地顯示各節(jié)電池運行狀態(tài)與電壓，調試時采用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)明所述系統一次實際運行的測試數據與結果。圖9-圖14紀錄的是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到達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，而結束于950采樣點左 右，根據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，這比現有技術中動輒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大大地提高了電池充電速度；此外，用于開關使用的功率 管開通電阻都小于15πιΩ，所以回路上開關功率器件正常運行時都無法感覺到溫升。總之， 本發(fā)明可以順利的使用在Swarm等群機器人中。
權利要求
一種鋰電池管理系統，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元件和第二開關元件，該第一開關元件和第二開關元件為P溝道場效應管，所述第一開關元件能夠在充電時保持導通且外部電源短路反接時快速關斷，所述第二開關元件能夠在供電時保持導通且外部連上充電需要時立即關斷；所述平衡保護電路包括有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管。
2.根據權利要求1所述的鋰電池管理系統，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.根據權利要求1所述的鋰電池管理系統，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，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溝道場效應管構成的第一開關元件和第二開關元件，該第一開關元件能夠在充電時保持導通且外部電源短路反接時快速關斷，該第二開關元件能夠在供電時保持導通且外部連上充電需要時立即關斷；平衡保護電路包括有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管。本發(fā)明能夠實現對機器人鋰電池充放電平衡及保護的優(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