李峰，張一鳴，陳賀娜

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124）

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，微電子、微機(jī)械、新材料、新工藝等領(lǐng)域不斷取得的技術(shù)進(jìn)步和突破，為現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。軍事和農(nóng)業(yè)等方面對(duì)無(wú)人機(jī)的大量需求，又形成了推動(dòng)無(wú)人機(jī)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。因此，現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的興起，是發(fā)展的必然趨勢(shì)，其研究已經(jīng)成為世界航天技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)是關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它為無(wú)人機(jī)的其它系統(tǒng)和有效載荷提供電能。電池壽命的長(zhǎng)短直接影響無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間。因此，為了進(jìn)一步增加無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，需要在電源中增加均衡系統(tǒng)以延長(zhǎng)其使用壽命。

1 均衡設(shè)計(jì)所要解決的主要問(wèn)題

現(xiàn)代無(wú)人機(jī)所承載的電子設(shè)備越來(lái)越多，飛行時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)電源的續(xù)航時(shí)間提出了更高的要求。同時(shí)由于無(wú)人機(jī)本身空間和搭載的質(zhì)量有限，要求電源質(zhì)量輕，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。為保證各系統(tǒng)和負(fù)載穩(wěn)定高效地工作，電源均衡部分的設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下幾個(gè)角度考慮[1]：

(1)從功能角度考慮：精確的單體電壓測(cè)量是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心，為均衡功能的順利實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，同時(shí)為電源管理系統(tǒng)中剩余電量的精確計(jì)算提供了保證。

(2)從能量角度考慮：芯片本身?yè)p耗須更低，具備待機(jī)功能；并可根據(jù)不同電池特性，重新設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，方便用戶操作，并能夠觀測(cè)各個(gè)電池的狀態(tài)參數(shù)。

(3)從產(chǎn)品的形狀因子角度考慮：?jiǎn)蝹€(gè)芯片須同時(shí)測(cè)量多個(gè)電池，以減少芯片數(shù)量。同時(shí)要求芯片自身具備小的封裝形式，芯片需要的外圍元件數(shù)量也要盡量少，尺寸盡量小，以節(jié)省板級(jí)空間。

2 均衡原理

當(dāng)一組電池串聯(lián)使用時(shí)，由于電池存在個(gè)體差異，在終止放電后各電池的終止電壓并不完全相等。當(dāng)對(duì)這樣一組串聯(lián)電池進(jìn)行充電時(shí)，也只測(cè)量串聯(lián)后的電池組的電壓作為終止充電電壓，這樣會(huì)造成部分電池充電不足而個(gè)別電池過(guò)度充電。雖然新的電池組個(gè)體差異不大，但是由于這種個(gè)體差異在電池組充電時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)多次積累，最終造成個(gè)別電池過(guò)早的損壞進(jìn)而造成整組電池的報(bào)廢，甚至個(gè)別電池充電時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，因此需要對(duì)電池組進(jìn)行均衡保護(hù)[2]。

圖1是電池均衡電路工作原理示意圖，其中B1，B2，……，B n是一組串聯(lián)的電池，Q1，Q2，……，Q n是可控的放電開(kāi)關(guān)，電阻R1，R2，……，R n為放電電阻，用來(lái)給需要放電的電池放電。芯片讀取各個(gè)電池電壓并比較，找到最低電壓以后，以該電池電壓為基準(zhǔn)對(duì)其它電池進(jìn)行放電，并在放電的過(guò)程中不斷地測(cè)量電池的電壓，當(dāng)放電電池的電壓等于基準(zhǔn)電壓后就停止對(duì)這個(gè)電池放電，當(dāng)所有電池的電壓都等于基準(zhǔn)電壓值后，停止這個(gè)電池組的放電[3]。

3 硬件設(shè)計(jì)

BQ76pl536電池管理芯片由精確的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、獨(dú)立的供電單元電壓及溫度保護(hù)、電池均衡、以及一個(gè)精確的5 V低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）組成。適用于電池供電的場(chǎng)合中，其特點(diǎn)如下：

（1）一片可同時(shí)連接6節(jié)電池，通過(guò)簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)，最多可同時(shí)測(cè)試192節(jié)電池；

（2）具有9個(gè)14位高精度、高轉(zhuǎn)換速率的ADC；

（3）具有低功耗以及均衡、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等保護(hù)功能；

（4）具有高速的數(shù)據(jù)通信接口SPI；

（5）專用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供芯片配置向?qū)?，方便用戶配置寄存器參?shù)。

利用該芯片所設(shè)計(jì)的均衡器電路原理圖，如圖2所示。該電路可以與6節(jié)以上單體電池構(gòu)成的電池組相連接。圖中R1，R2，……，R6分別為電池的放電電阻，可以對(duì)被放電電池以500mA的電流進(jìn)行放電，Q1，Q2，……，Q6為P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，作為放電控制開(kāi)關(guān)用來(lái)控制各單體電池放電。芯片可直接由被測(cè)電池組供電，供電范圍5～36 V，并且芯片的各個(gè)端口能夠承受的最大電壓為36 V，因此不需要經(jīng)過(guò)分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的匹配。圖2中可以看到Q1，Q2，……，Q6的柵極通過(guò)電阻直接與芯片相連。芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的非隔離級(jí)聯(lián)，就可以同時(shí)測(cè)試6節(jié)以上電池電壓。

芯片的保護(hù)功能主要包括電池過(guò)壓保護(hù)、電池過(guò)放電保護(hù)以及溫度過(guò)高保護(hù)。

（1）電池過(guò)壓保護(hù)。BQ76pl536芯片監(jiān)測(cè)各個(gè)單體電池電壓，并與設(shè)定的電壓相比較，若超過(guò)設(shè)定電壓并且持續(xù)一段時(shí)間后，則啟動(dòng)相應(yīng)的放電開(kāi)關(guān)，直到實(shí)際電壓降至設(shè)定電壓范圍以內(nèi)，放電開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

（2）電池的過(guò)放電保護(hù)。先通過(guò)設(shè)置寄存器CFG_CUV設(shè)置電池的過(guò)放電閾值，通過(guò)配套軟件可以直接寫入數(shù)值。然后比較電池電壓與過(guò)放電閾值的大小，若電池電壓小于過(guò)放電閾值，則相對(duì)應(yīng)電池的狀態(tài)寄存器CUV_FAULT的狀態(tài)發(fā)生改變，并發(fā)送警報(bào)信號(hào)ALERT，以實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù)。

（3）過(guò)熱保護(hù)。溫度閾值可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值，則溫度狀態(tài)寄存器OT1，OT2的狀態(tài)發(fā)生改變，并發(fā)送警報(bào)信號(hào)ALERT，以實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該款芯片的功能是否滿足無(wú)人機(jī)電源均衡保護(hù)的需求，取18節(jié)單體電池作為一個(gè)電池組。圖3為該款芯片的配套軟件，通過(guò)該軟件可以直接設(shè)定單體電池的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等閾值參數(shù)。并且直接讀取被測(cè)電池組的單體電壓和環(huán)境溫度。由圖3可知，該電池組的單體電池cell1的電壓高于其他單體電池電壓，此時(shí)該節(jié)電池的放電開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

圖3 均衡前各電池電壓值

由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間放電后，單體電池cell1的電壓與其它電池一致，避免了電池的過(guò)充電和其它電池的過(guò)放電。

圖4 均衡后各電池電壓值

為了更直觀的觀察被測(cè)單體電池電壓在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，可以通過(guò)該軟件得到各單體電池的電壓變化曲線，如圖5所示。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路能夠有效地減小各電池間的電壓差值，避免了部分電池的過(guò)放電和個(gè)別電池的過(guò)充電，達(dá)到了延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定，該電路可以適用于其它類型的電池組，方便可靠。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：提出以較少數(shù)量的電源管理芯片BQ76pl536為無(wú)人機(jī)提供電源均衡解決方案，與以往采用多個(gè)分立的電源芯片提供的電源均衡解決方案相比：BQ76pl536占用更少的空間，消耗更少的能量和更為靈活方便的電壓監(jiān)測(cè)，高精度的電壓測(cè)量為剩余電量的精確計(jì)算提供了保證。

[1] 孫玉潔,蘇宛新.TPS65023在多電壓便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2009,25(4):173-175.

[2] 何仕品,朱建新.鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究[J].汽車工程,2009,31(5):444-447.

[3] 邊延凱,賈瑞慶,田爽.鋰離子電池組的均衡控制與設(shè)計(jì)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(2):69-72.