锂电池管理系统技术方案

一种锂电池管理系统，包括采用ＬＴ１７６９芯片的恒流恒压电路和采用ＢＱ７７ＰＬ９００芯片的平衡保护电路，该恒流恒压电路包括与ＬＴ１７６９芯片连接的由Ｐ沟道场效应管构成的第一开关元件和第二开关元件，该第一开关元件能够在充电时保持导通且外部电源短路反接时快速关断，该第二开关元件能够在供电时保持导通且外部连上充电需要时立即关断；平衡保护电路包括有ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机和外部扩流电路，该ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机与ＢＱ７７ＰＬ９００芯片相连接并使之运行于主动控制模式中，该外部扩流电路包括放大电路和功率放电电路，该放大电路包括ＰＮＰ三极管且与ＢＱ７７ＰＬ９００芯片相连接，该功率放电电路与放大电路连接，包括连接功率放电电阻的功率场效应管。本发明专利技术能够实现对机器人锂电池充放电平衡及保护的优化管理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人的电源系统，特别涉及一种用于具有自动充电功能的群体机器 人的充放电平衡及保护的锂电池管理系统。
技术介绍
由于群体机器人具有强大的信息处理能力、优秀的运动性能，同时还保持着小巧 紧凑的特点，所以机器人的电源采用6节磷酸铁锂电池串联进行供电，以满足主处理单元 和动力单元的用电。依照锂电池的充放电要求，电池的管理系统包括恒流恒压充电单元、放 电欠压保护单元、充电过压保护电源以及各种短路过载保护单元等。串联使用锂电池存在 有各节电池之间充放电的平衡问题尽管串联使用锂电池可以严格保证各节电池充放电电 流相等，然而由于各节电池之间本身储能特性的差异，会导致一部分电池提前充满，而另一 部分电池会提前放电。如果缺乏必要的充电、放电的平衡管理，久而久之会导致一些电池长 期充电不充分，而另一些电池则会放电不完全，并且差异会累积越来越大。因此，串联使用 6节锂电池的管理系统需要有一个平衡充电的单元来解决上述的问题。本专利叙述的就是 锂电池的平衡保护电路与恒流恒压电路，见附图1。随着锂电池性能的逐渐提高，其不但能够用作为传统移动电子设备的电源，而且 还可以作为动力电源来使用。但是一般动力电源都需要比较高的电压，所以几节甚至几十 节电池串联使用时的充电平衡问题成了一个技术难点。现有的充电平衡法有(1)被动平衡法在电池管理系统中，每节电池均通过一个开关连接到一个负载 电阻上，这种被动平衡电路可以对其中被选中的电池节单独放电。该方法只适用于在充电 模式下抑制最强电池节的电压攀升，另外为限制功耗，此类电路一般只允许小电流放电，从 而导致充电平衡耗时过长，可高达几小时。采用分立元件和通用单片机的被动平衡充电电 路应用功率电阻耗能来提高被动平衡放电速度，能够大大减少充电环节中的平衡过程时 间，但是却因为采用分立元件导致体积过大，而不适合紧凑型的群体机器人的要求。(2)主动平衡法主动平衡法采用一个存储元件来转移能量，一种是用电容来做 存储元件，还有一种是将能量存储在一个磁场中，再使用变压器来完成能量转换。如果采用 前者，则将储能电容与所有电池节相连就需要庞大的开关阵列；如果采用后者，则平等时采 用的开关时序要严格正确，否则电池以及其电路就会有短路烧毁的危险，因此其可靠性比 较低。比较以上两种方案，若采用电容主动平衡法，则开关阵列难以实现，若采用变压器 形式的平衡法；则机器人内部空间无法加入体积庞大的变压器，同时开关时序问题也直接 影响系统的可靠性。因此通过权衡利弊，被动平衡法充电是一个可行性较高的方法，但是要 解决功耗和充电平衡速度的问题。图2所示的是一种现有的使用Linear Technology禾口 Texas Instrument芯片的 被动平衡法电路。该电路的优缺点如下所述。(1)恒流恒压电路优点——电路采用Linear Technology公司的LT1769芯片作为恒流恒压充电器， 根据6节铁锂电池的要求并且兼顾平衡充电速度和散热问题，充电电流为1.5A左右，最大 电压为6X3. 6V = 21. 6V，该芯片基本解决了充电问题。缺陷一该电路正常运行时发热量很大，在群体机器人紧凑的狭小空间里恶化了 系统的散热问题。(2)平衡保护电路优点——电路使用Texas Instrument公司的BQ77PL900芯片来完成电池欠压、过 压、短路、过载以及充电平衡功能，使用该芯片完成充电管理功能可以大大减少电池管理模 块的体积。缺陷——首先，德州仪器的这款芯片是针对普通聚锂电池设计的，该芯片在自 动模式运行时，启动电池平衡的电压阈值为4. 2V，而单节铁锂电池电压超过3. 6V后电池 就有过充损坏的危险，因此该芯片不太适合铁锂电池，只能通过该芯片的外部MCU(Micro Control Unit)的接口以及灵活的主控模式来实现BQ77PL900对铁锂电池的管理。其次，由 于芯片本身功耗限制，其本身的平衡开关流过电流最大为5mA，这导致电池平衡时间耗时达 数小时之久，若采用外部扩流措施进行改善，则要使用IV开通阈值的特殊MOS管，这种MOS 管不仅选型非常困难，而且难以在低压差的条件下开通。总之，电池平衡时间长度问题比较 难解决。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有机器人的被动平衡法锂电池管理系统功 耗大、散热困难和充电平衡速度慢的缺陷，提供一种锂电池管理系统，其采用合理的主控 模式和外部扩流措施，降低元件功耗，从而达到提高系统充电平衡速度、改善散热条件的目 的。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案如下一种锂电池管理系统，包括采用LT1769芯片的恒流恒压电路和采用BQ77PL900 芯片的平衡保护电路，其特征在于所述恒流恒压电路包括与LT1769芯片连接的第一开关 元件和第二开关元件，该第一开关元件和第二开关元件为P沟道场效应管，所述第一开关 元件能够在充电时保持导通且外部电源短路反接时快速关断，所述第二开关元件能够在供 电时保持导通且外部连上充电需要时立即关断；所述平衡保护电路包括有PIC18F458单片 机和与所述BQ77PL900芯片相连接的外部扩流电路，该PIC18F458单片机能够控制电池的 充电平衡，其通过IIC总线与所述BQ77PL900芯片相连接并使之运行于主动控制模式中， 所述外部扩流电路包括第一级放大电路和第二级功率放电电路，该第一级放大电路与所述 BQ77PL900芯片相连接，其包括PNP三极管，该第二级功率放电电路与第一级放大电路连 接，其包括连接功率放电电阻的功率场效应管。本专利技术所述的锂电池管理系统中的PIC18F458单片机测量每节电池电压值并与 阈值进行比较，以判断各节电池的平衡，同时，该PIC18F458单片机将电源的运行状态信息 传输至机器人的中央处理单元；所述第一级放大电路的PNP三极管为9012，所述第二级功 率放电电路的功率场效应管为SSM3K302T，所述功率放电电阻的功率为1W。与现有的使用LT1769芯片和BQ77PL900芯片的被动平衡法电路相比较，本专利技术所述的锂电池管理系统采用PIC18F458单片机来实现灵活的BQ77PL900芯片主控模式，同时 采用一级放大和一级功率放电的外部扩流电路，从而兼顾了平衡放电速度和电路体积，达 到了降低元件功耗、提高充电平衡速度的效果；本专利技术还采用P沟道场效应管(MOSFET)来 替代者两个肖特基二极管，以解决MOSFET控制极电压给定和快速关断的问题，从而改善了 整个线路板和系统的散热。总之，本专利技术所述的锂电池管理系统具有充电平衡速度快、元件功耗低、散热条件 好的优点，能够用于具有自动充电功能的群体机器人中，实现对机器人锂电池充放电平衡 及保护的优化管理。附图说明图1是机器人锂电池电源系统的结构简图。图2是现有的被动平衡法锂电池管理系统的电路简图。图3是本专利技术的电路结构简图。图4是本专利技术恒流恒压电路的电路结构简图。图5是本专利技术平衡保护电路的电路结构简图。图6是PIC18F458单片机的主程序总流程图。图7是采集锂电池电压与工作状态的子程序流程图。图8是锂电池管理主状态机状态转移图。图9-图14是本专利技术实际运行得到的各节锂电池的电压变化曲线图。 具体实施例方式现结合具体实施例和附图对本专利技术进行详细说明。请参阅图3本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂电池管理系统，包括采用ＬＴ１７６９芯片的恒流恒压电路和采用ＢＱ７７ＰＬ９００芯片的平衡保护电路，其特征在于：所述恒流恒压电路包括与ＬＴ１７６９芯片连接的第一开关元件和第二开关元件，该第一开关元件和第二开关元件为Ｐ沟道场效应管，所述第一开关元件能够在充电时保持导通且外部电源短路反接时快速关断，所述第二开关元件能够在供电时保持导通且外部连上充电需要时立即关断；所述平衡保护电路包括有ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机和与所述ＢＱ７７ＰＬ９００芯片相连接的外部扩流电路，该ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机能够控制电池的充电平衡，其通过ＩＩＣ总线与所述ＢＱ７７ＰＬ９００芯片相连接并使之运行于主动控制模式中，所述外部扩流电路包括第一级放大电路和第二级功率放电电路，该第一级放大电路与所述ＢＱ７７ＰＬ９００芯片相连接，其包括ＰＮＰ三极管，该第二级功率放电电路与第一级放大电路连接，其包括连接功率放电电阻的功率场效应管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴越鹏，刘磊，金爱娟，林璘，许晓鸣，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]