劉志猛，朱孟府，陳 平 ，鄧 橙 ，苑英海，宿紅波

（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi) 生裝備研究所，天津 3 00161）

微型變壓吸附(PSA)制氧機(jī)在醫(yī)療保健、家庭氧療、戶外運(yùn)動(dòng)用氧等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛和巨大的市場(chǎng)需求[1]。目前，普通家用變壓吸附制氧機(jī)體積大、重量重、電源適應(yīng)性差，不便于攜帶，只能適合家庭室內(nèi)使用，對(duì)渴望自由活動(dòng)而又不影響正常吸氧的人們帶來(lái)很大問題[2]。微型制氧機(jī)體積小、重量輕、自帶電源，可有效解決人們隨時(shí)隨地吸氧的需求[3]。微型制氧機(jī)大多采用鋰電池作為動(dòng)力來(lái)源，由于鋰電池的特殊性，對(duì)鋰電池的智能管理是制氧機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題[4]。因此，為了實(shí)現(xiàn)鋰電池充供電的智能管理和電池狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)，本文以C8051F310為控制核心，結(jié)合CN3704和DS2438芯片對(duì)鋰電池的智能管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便有效提高電池的使用安全性，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，為微型制氧機(jī)的便攜使用提供電源保證。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 鋰電池特性

制氧機(jī)選取的壓縮機(jī)額定電壓為DC12 V，額定功率為60 W，為了達(dá)到額定功率的要求，以及受制氧機(jī)重量和尺寸的限制，選用單節(jié)容量為2 500 mAh、標(biāo)稱電壓為3.7 V的鋰電池，其充電電壓最高為4.2 V，采用4節(jié)串聯(lián)。為了延長(zhǎng)制氧機(jī)的工作時(shí)間，增加電池容量，把兩組4節(jié)串聯(lián)的電池并聯(lián)在一起，組成端電壓為12～16.8 V、容量為5 000 mAh的電池組。單節(jié)鋰電池的工作電壓為3.7 V，其對(duì)充電電壓要求比較嚴(yán)格[5]，圖1為鋰電池充電特性曲線，其充電電壓范圍是2.75～4.2 V。由于鋰電池具有較大的內(nèi)阻，大電流放電或充電都會(huì)導(dǎo)致電池迅速升溫，超出其額定功率，有失效、漏液甚至有爆炸的危險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)合理的管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池的安全使用和延長(zhǎng)使用時(shí)間具有非常重要的作用。

圖1 鋰電池充電特性曲線Fig.1 Charging curve of lithium battery

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)以C8051F310單片機(jī)為控制核心，對(duì)電池的充電管理采用集成脈寬調(diào)制芯片CN3704及其外圍電路進(jìn)行智能控制；利用DS2438智能電池監(jiān)測(cè)芯片對(duì)電池的電流、電壓、溫度以及剩余電量進(jìn)行測(cè)量，并與單片機(jī)通訊。單片機(jī)處理DS2438測(cè)量的數(shù)據(jù)并通過液晶屏準(zhǔn)確顯示電池的電量、電壓和溫度等狀態(tài)信息，當(dāng)電池的狀態(tài)異常時(shí)，通過蜂鳴器報(bào)警并在液晶屏上提示相應(yīng)的信息。由于制氧機(jī)的工作電壓為12 V，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓低于12 V時(shí)，切斷負(fù)載電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由充電模塊、監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊及外圍電路組成，本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 充電電路

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig．2 Generalblock diagram of the system

系統(tǒng)充電電路由鋰電池充電管理芯片CN3704及其外圍電路組成。CN3704為16引腳脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation，PWM)降壓模式的充電管理芯片，可以自動(dòng)管理4節(jié)鋰電池的充電過程，其輸入電壓范圍為7．5～28 V，充電電流可達(dá)5～8 A，工作環(huán)境溫度為－40～85℃，包括恒壓、恒流兩種充電模式，具有過壓、過流和短路保護(hù)的能力，而且具有封裝外形小、外圍元器件少和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微型制氧機(jī)的電池管理[6]。以CN3704為核心的充電控制電路如圖3所示。

圖3 充電控制電路Fig．3 Control circuit of charging system

圖中Q5為P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，選輸出電壓為19 V、額定電流為4 A的適配器為電池組充電，當(dāng)接入適配器且電池組電壓不足16 V時(shí)，DRV管腳輸出低電平，Q5導(dǎo)通，電池組充電。由于充電電流為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓0．2 V與采樣電阻R12的比值，選取的適配器額定電流為4 A，則R12為0．05 Ω。由于電池組并聯(lián)，所以每個(gè)電池組以2 A左右的電流恒流充電，電池組電壓逐漸上升，充電時(shí)CHRG引腳輸出低電平，DONE引腳輸出高電平，D10亮，D9滅；當(dāng)電池組電壓達(dá)到16．8 V時(shí)，以16．8 V對(duì)電池恒壓充電，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到電阻R20的設(shè)置值時(shí)，DRV管腳輸出高電平，Q5關(guān)斷，充電結(jié)束，D10滅，D9亮。當(dāng)停止充電時(shí)，CN3704自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)部電路斷開，從而延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。TEMP管腳接一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R19，若電池溫度過高，Q5關(guān)閉，停止充電。同時(shí)在R19兩端并聯(lián)一個(gè)NPN三極管Q6，充電時(shí)，電池監(jiān)測(cè)芯片DS2438檢測(cè)電池的狀態(tài)并通知單片機(jī)，當(dāng)電池出現(xiàn)過溫、過壓、過流等異常狀況時(shí)，P0．1輸出高電平，三極管Q6導(dǎo)通，TEMP引腳拉低至0 V，Q5斷開，切斷充電回路，實(shí)現(xiàn)了電池充電過程的雙重保護(hù)。

2.2 供電選擇電路

接入適配器后，若制氧機(jī)繼續(xù)工作，則應(yīng)選擇外部電源作為供電電源，其供電選擇電路如圖4所示。當(dāng)外部電源無(wú)輸入時(shí)，P溝道MOS管的柵極為0 V，源極接電池正極，VDS小于MOS的導(dǎo)通電壓，Q2導(dǎo)通，負(fù)載由電池供電；當(dāng)外部電源接入，MOS管的柵極為VDC+，VDS大于MOS管的導(dǎo)通電壓，Q2截止，負(fù)載由外部電源供電。壓縮機(jī)的工作電壓為12 V，所以D3選用13 V的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓。由于前段的電壓經(jīng)過電阻R2和穩(wěn)壓管D3后，電流會(huì)非常弱小，為了保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，至少需要提供5 A以上的電流，因此在穩(wěn)壓管后接一個(gè)電流放大的NPN三極管，以保證制氧機(jī)的正常運(yùn)行。由于三極管的導(dǎo)通需要0．7 V的壓降，所以電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管D3和三極管Q1后，會(huì)在PAC+端得到穩(wěn)定的12．3 V的電壓。

圖4 供電選擇電路Fig.4 Selection circuit of power supply system

2.3 狀態(tài)管理電路

電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理見圖5，應(yīng)用DALLAS公司的智能鋰電池監(jiān)測(cè)芯片DS2438及其外圍電路完成。DS2438具有體積小、功能強(qiáng)、接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將DS2438緊貼在電池表面能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度、電壓、電流以及電量的測(cè)量[10]。DS2438采用了1-Wire標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信，與單片機(jī)只需通過DQ端口即可通訊，單片機(jī)接收DQ端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并做出相應(yīng)的處理。

圖5 電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路Fig.5 Monitor circuit ofbattery conditions

DS2438的工作電壓為2.4～10 V，而電池組和外部電源的電壓均高于10 V，所以D4、D5均選用5.6 V的穩(wěn)壓二極管。電池組的最高電壓為16.8 V，而DS2438的電壓測(cè)量范圍為0～10 V，所以在DS2438前增加 1:2的分壓電阻，則R7為10 kΩ，R6為20 kΩ。為了不影響電池的正常使用，選擇精度高、阻抗小的電阻用于電流的測(cè)量，設(shè)計(jì)采用R8為0.05 Ω的精密電阻，R5和C1構(gòu)成低通濾波器，對(duì)信號(hào)的尖峰干擾進(jìn)行濾波處理。對(duì)負(fù)載的控制開關(guān)采用N溝道的MOS管和NPN三極管。正常情況下，P0.2輸出低電平時(shí)，三極管Q4不導(dǎo)通，MOS管Q3的柵極為高電平，MOS管導(dǎo)通，制氧機(jī)正常工作；當(dāng)電池電壓低于12 V或者溫度、電流超過電池允許的范圍時(shí)，P0.2輸出高電平時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，MOS管Q3的柵極電壓為0 V，MOS管關(guān)斷，切斷負(fù)載。

DS2438能測(cè)量電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，測(cè)量范圍為-55～125℃，精度為0.031 25℃，能自動(dòng)測(cè)量電池的溫度。當(dāng)DS2438收到單片機(jī)發(fā)出的采集電壓命令時(shí)，內(nèi)部集成的10bit的ADC工作，通過VAD端測(cè)得電池的電壓。每27.46 ms測(cè)量一次采樣電阻R8兩端的電壓來(lái)檢測(cè)流經(jīng)電池的電流。流經(jīng)電池的電流IBAT由公式(1)得出：

其中，ICR為DS2438內(nèi)部電流寄存器Current Register的值；R8為采樣電阻，單位為Ω。

在電池工作過程中，電池的剩余電量能夠更好地反映電池當(dāng)前的工作狀態(tài)，保證制氧機(jī)正常有序運(yùn)行。電池剩余電量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中至關(guān)重要，所以采用開路電壓法和安時(shí)積分法相結(jié)合的方法來(lái)估算鋰電池組剩余電量。當(dāng)鋰電池組在非工作狀態(tài)時(shí)，由于電池電量和開路電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用開路電壓法來(lái)確定電池的剩余電量；當(dāng)電池處于工作狀態(tài)時(shí)，利用安時(shí)積分法計(jì)算電量的變化，從而得出剩余電量。由于DS2438內(nèi)部集成了電流累加器(Integrated Current Accumulator簡(jiǎn)稱ICA)，ICA是一個(gè)8位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，累計(jì)計(jì)算流入和流出電池組的電流值，可通過ICA的值IICA由公式（2）計(jì)算出電池的剩余電量URC。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是通過DS2438芯片完成檢測(cè)電池的電壓、電流、溫度和剩余電量，并與單片機(jī)建立通訊，單片機(jī)分析測(cè)得的參數(shù)，通過液晶屏顯示測(cè)得的參數(shù)。當(dāng)電池狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，切斷電池的充電或供電回路并通過蜂鳴器和液晶屏報(bào)警提示。由于DS2438和CN3704具有非常強(qiáng)大的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和充電保護(hù)功能，DS2438與單片機(jī)之間只需要進(jìn)行相關(guān)通信即可反映電池的狀態(tài)信息；CN3704芯片和單片機(jī)的雙重保護(hù)，可大大加強(qiáng)充電系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)編程采用C語(yǔ)言的模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主控制程序、數(shù)據(jù)采集處理程序和液晶顯示程序，其中主程序流程如圖6所示。

圖6 主控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of the main control program

4 結(jié)論

以C8051F310為控制核心，結(jié)合CN3704和DS2438芯片設(shè)計(jì)的微型PSA制氧機(jī)電池智能管理系統(tǒng)，可有效進(jìn)行智能充供電控制和電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過液晶屏顯示電池的電壓、電流、溫度和電量等狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了鋰電池過充、過放、過流和短路保護(hù)，具有蜂鳴器故障報(bào)警和信息提示的功能。微型PSA制氧機(jī)電池智能管理系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠、智能化程度高，有利于延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，擴(kuò)展了微型制氧機(jī)的使用范圍，對(duì)微型設(shè)備鋰電池的管理提供了借鑒。

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