原创 物联网系统中二次电池充电方案硬件设计分享_充电电池管理芯片

01

物联网系统中为什么要使用充电电池管理芯片

物联网系统中使用充电电池管理芯片的原因主要有以下几点：

提升电池安全性和稳定性

• 实时监测与保护：电池管理芯片能够实时监测电池的电压、电流、温度等关键参数，及时发现并防止电池过充、过放、过流、过热等异常情况，从而避免电池损坏甚至爆炸等安全隐患。这对于物联网系统中大量使用的电池供电设备来说至关重要。
• 均衡管理：对于串联电池组，电池管理芯片还能实现单体电池之间的电压均衡，确保每个电池都处于最佳工作状态，延长整个电池组的使用寿命。

优化电池性能

• 智能充放电控制：电池管理芯片能够根据电池的实时状态调整充放电策略，如采用智能快充技术缩短充电时间，或在电池接近满电时自动降低充电电流以减少热量产生。这些措施有助于提升电池的使用效率和循环寿命。
• 高效能量利用：通过精确控制电池的充放电过程，电池管理芯片可以减少不必要的能量损耗，提高能量利用效率，这对于依赖电池供电的物联网设备来说具有重要意义。

适应复杂应用环境

• 宽范围工作条件：物联网设备往往需要在各种复杂环境中工作，如高温、低温、潮湿等。电池管理芯片通常具备较宽的工作温度范围和电压监测范围，能够适应这些极端条件，确保电池的稳定运行。
• 高集成度与小型化：随着物联网技术的发展，设备对小型化和轻量化的要求越来越高。电池管理芯片的高集成度使得其能够在有限的空间内实现多种功能，满足物联网设备对体积和重量的限制。

提升系统可靠性和用户体验

• 延长设备续航：通过精确管理电池的充放电过程，电池管理芯片可以最大限度地延长设备的续航时间，减少用户因电池电量不足而频繁充电的烦恼。
• 降低维护成本：电池管理芯片的应用可以减少因电池故障而导致的设备停机时间和维修成本，提高系统的整体可靠性和经济性。

具体应用场景

充电电池管理芯片广泛应用于各个领域，包括但不限于：

• 电动汽车和混合动力车：用于电池组的监测、保护和控制。
• 紧急照明和UPS电源：用于储能系统和应急电源的电池管理。
• 便携式电子设备：如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、无人机等设备的电池管理。
• 太阳能和风能储能系统：用于储能系统中的电池组管理。
• 医疗设备：确保医疗设备的电池稳定、安全地运行。

综上所述，物联网系统中使用充电电池管理芯片是出于提升电池安全性、优化电池性能、适应复杂应用环境以及提升系统可靠性和用户体验等多方面的考虑。这些优势使得电池管理芯片在物联网领域得到了广泛的应用和推广。

本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——充电电池管理芯片。

02

充电电池管理芯片的定义

充电电池管理芯片（Battery Management Chip, 简称BMS）是一种集成电路，主要用于监控、控制和保护电池。它在电池组中起着关键作用，确保电池的安全性和性能稳定。电池管理芯片通常由微控制器、电压监测电路、温度监测电路、电流测量电路和保护电路等组成，能够实时监测电池的电压、电流、温度等参数，并根据这些参数调整充电和放电策略，防止电池过充、过放、过流、过热等异常情况的发生。

03

充电电池管理芯片的原理

充电电池管理芯片的工作原理主要包括以下几个方面：

• 电压监测：通过对电池组中每个单体电池的电压进行监测，判断电池的充放电状态以及单体电池之间的电压均衡情况。
• 温度监测：通过传感器对电池组和单体电池的温度进行监测，防止电池过热或过冷引发安全问题。
• 电流测量：通过电流传感器对电池组中的充放电电流进行测量，实时监控电池组的工作状态。
• 保护控制：根据监测到的电压、温度和电流等参数，对电池组进行保护控制，包括过充保护、过放保护、过流保护等。

具体工作过程如下：

离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。

锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。下图为充电曲线

图1

图2

• 阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)，
• 阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.
• 阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。）
• 阶段4：充电终止——

有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停.

充电结束后,如检测到电池电压低于3.89V将重新充电。

图3

图3是可以对短路的电池激活的充电方法。

上图为充电流程

手机充电器的工作流程一般为： 1. 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电； 2. 电池充到一定电压（一般设置为2.9V）时，进行全电流充电； 3. 当电池电压达到预置电压（锂离子电池一般为4.2V）时，开始恒压充电，同时充电电流降低； 4. 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束。

电池电压低于2.5V（Vshort）时,锂离子电池充电器用25mA的电流预充,防止深度放电的锂离子电池在快充时被损坏甚至发生危险。

对于电压过低的电池需要进行预充，电池电压低于2.5V（Vshort）时,锂离子电池充电器用25mA的电流预充,防止深度放电的锂离子电池在快充时被损坏甚至发生危险。

充电终止检测除电压检测外，还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施，如电池温度监测，检测电池温度用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时关闭对电池充电。

限定充电时间，为电池提供附加保护。

除了上面的流程描述，它还具有自动重新充电、最小电流终止充电等特性。 一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的十分之一。目前在锂离子电池充电器的设计中，对手机充电结束后由于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会重新启动充电过程（见上图）。

软件要做的工作是设置进入快速充电的电压阈值，进入恒压充电的电压阈值，充电超时时间，恒流充电的电流值，恒压充电的电压值，充电结束的电流阈值，中断处理，提供sys接口给上层都充电的状态，包括电池的类型，电池最高电压，电池最低电压，电池当前电压，电池电量的百分比，电池的状态，充电电流和电池温度等等。

可以用测量电压的方法估算电池剩余容量：

4.20V----100%

3.95V----75%

3.85V----50%

3.73V----25%

3.50V----5%

2.75V----0%

04

充电电池管理芯片的选型参数

在选型充电电池管理芯片时，应根据具体应用需求综合考虑以下参数：

• 电压监测范围：应具备较宽的电压监测范围，以适应不同类型电池的需求。
• 温度监测范围：应具备较宽的温度监测范围，以适应不同环境温度下的工作需求。
• 电流测量精度：应具备较高的电流测量精度，以保证对电池组工作状态的准确监测。
• 保护功能：应具备过充、过放、过流等保护功能，以确保电池的安全使用。
• 集成度：集成度越高，所占空间越小，越有利于电池组的整体设计。
• 通信接口：根据主控芯片的通信接口选择兼容性良好的电池管理芯片。
• 功耗和转换效率：低功耗和高转换效率有助于延长电池寿命和提高系统效率。

05

充电电池管理芯片的使用注意事项

在使用充电电池管理芯片时，需要注意以下几点：

• 准确连接：确保电池管理芯片与电池组、主控芯片等设备的连接准确无误，避免接错线或短路。
• 散热处理：电池管理芯片在工作过程中会产生一定的热量，需要进行适当的散热处理，防止芯片过热。
• 软件配置：根据实际需求配置电池管理芯片的软件参数，如充电电流、放电电流、保护阈值等。
• 故障检测：定期检查电池管理芯片的工作状态，及时发现并处理故障问题。
• 环境适应性：考虑电池管理芯片在特定环境下的适应性，如温度、湿度等。

06

充电电池管理芯片的厂商

市场上有多家知名的充电电池管理芯片厂商，如德州仪器（TI）、圣邦微电子（SGM）、英集芯（INJOINIC）等。这些厂商提供的电池管理芯片在性能、功能、可靠性等方面都具有一定的优势，用户可以根据实际需求选择合适的厂商和产品。

请注意，以上信息仅供参考，具体选型和使用时还需结合实际情况进行综合考虑。

供应商A：圣邦微

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:SGM40560

对应的产品详情介

圣邦微SGM40560是一款专为小容量锂离子/聚合物锂离子二次电池设计的精密线性恒流、恒压充电的单片电路。以下是关于圣邦微SGM40560的详细介绍：

一、产品特点

• 独立工作：SGM40560能够独立完成完整的预充、快充、涓流浮充、回退供应保持、阻性压降补偿和再充电过程。
• 多种最大充电电压选择：提供五种不同的最大充电电压选项，包括3.65V、4.05V、4.2V、4.3V和4.4V，以满足不同电池的需求。
• 高精度充电：通过高精度控制，确保电池充电过程的安全和稳定。
• 宽电源电压范围：支持3~26.5V的宽电源电压范围，适用于多种应用场景。
• 灵活配置：充电电流可通过外加电阻进行设置，提供灵活的充电控制。
• 智能指示：通过LED指示灯，可以方便地了解电池的充电状态，如充电中和充电完成。
• 热限流保护：具备自动热限流功能，防止芯片过热，提高产品的可靠性。
• 绿色封装：采用TDFN-2×2-6AL和SOIC-8 (Exposed Pad)绿色封装，符合环保要求。

二、应用场景

SGM40560广泛应用于各种需要小容量电池供电的设备中，如：

• 蓝牙耳机、蓝牙鼠标等无线设备
• 无线体温计、无线血氧计、无线脉搏计等医疗设备
• 有源钥匙、有源信标等安全设备
• 光伏蓄能维持、花鼓发电机蓄能维持等可再生能源系统

三、参数

在选择SGM40560时，需要考虑以下参数：

• 最大充电电压：根据电池类型选择合适的最大充电电压。
• 封装形式：TDFN-2×2-6AL或SOIC-8 (Exposed Pad)封装，根据实际应用场景和空间限制进行选择。
• 工作温度范围：SGM40560的工作温度范围为-40℃至+125℃，需确保应用环境在此范围内。
• 充电电流：通过外加电阻进行设置，需根据具体需求进行配置。

四、使用注意事项

• 正确连接：确保SGM40560与电池、电源等设备的连接正确无误，避免接错线或短路。
• 散热处理：虽然SGM40560具备热限流功能，但在高功率充电时仍需注意散热，避免芯片过热。
• 软件配置：根据实际需求配置SGM40560的软件参数，如充电电流、充电电压等。
• 故障检测：定期检查SGM40560的工作状态，及时发现并处理故障问题。

综上所述，圣邦微SGM40560是一款功能强大、性能稳定、应用广泛的充电电池管理芯片，适用于各种需要小容量电池供电的设备中。

• 硬件参考设计

• 核心料（哪些项目在用）

奇迹物联鸽子定位器项目电池充电管理

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

C5141321_SGM40560-4.3XPS8G_TR_2022-09-30.PDF

• 技术对接
• 技术能力

完整过程独立工作单节电池充电

适用于磷酸铁锂电池/锂离子/聚合物锂离子/钛酸锂/

镍氢二次电池和EDLC海量电容充电

3.65V至5.5V可选最大充电电压

高精度安全快速充电

4%输出电压回退供应保持

可配合松耦合线圈工作

可配合太阳能电池组工作

饱和导通充电

自动热限流

省电指示模式

TDFN-2×2-6AL 和 SOIC-8 (Exposed Pad) 绿色封装

供应商B：友台半导体（UMW）

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1:TP4054

对应的产品详情介绍

友台半导体（UMW）的TP4054是一款功能完善的单片锂离子电池恒流/恒压线性电源管理芯片，广泛应用于各类便携式电子产品中。以下是关于TP4054的详细介绍：

一、基本特性

• 封装形式：SOT23-5或SOT-23-5L，这种小型封装使得TP4054非常适用于空间受限的应用场景。
• 适用电池：专为单节锂离子电池设计，能够提供高效、安全的充电管理。
• 充电方式：采用恒定电流/恒定电压算法，确保电池在充电过程中既快速又安全。
• 保护功能：内置防反接保护、过压保护、过热保护等多重保护机制，确保充电过程的安全可靠。

二、功能特点

• 高精度充电电压：预设充电电压为4.2V，精度达到±1%，确保电池充电的准确性和安全性。
• 可编程充电电流：通过外部电阻器可以调节充电电流，最大可编程充电电流可达500mA（有说法称最大可达800mA，具体取决于PCB布局的热设计）。
• 热反馈调节：在高能量运行和高环境温度条件下，热反馈可以控制充电电流以降低芯片温度，防止过热损坏。
• 充电状态指示：提供充电状态输出引脚，便于用户监测充电进程。
• 自动终止充电：当充电电流降至设定值的1/10时，自动终止充电过程，防止过充。
• 低电流待机模式：在无输入电压或待机状态下，芯片自动进入低电流待机模式，将电池漏电流降至极低水平。

三、典型应用

TP4054因其高效、安全、便携等特点，被广泛应用于手机、PDA、MP3、蓝牙设备等便携式电子产品中。此外，它还可以用于其他需要单节锂离子电池充电管理的领域，如移动电源、电子玩具等。

四、使用注意事项

• 在使用TP4054时，请确保输入电压在芯片规定的范围内，并且正确连接外部元件。
• 注意充电电流的设置，避免过大或过小的充电电流对电池造成损害。
• 在设计电路时，应充分考虑散热问题，以确保芯片在长时间工作下不会过热。

总之，友台半导体的TP4054是一款性能优异、功能全面的单片锂离子电池充电管理芯片，能够为便携式电子产品提供高效、安全的充电解决方案。

• 硬件参考设计

• 核心料（哪些项目在用）

老人定位器项目充电管理，智能垃圾桶控制板

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

C668215_TP4054_2021-10-11.PDF

供应商C:远翔

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：FP8202

对应的产品详情介绍

远翔FP8202是一款高度集成的开关模式锂离子电池充电器芯片，具有多种功能和特点，广泛应用于便携式设备中。以下是对远翔FP8202的详细介绍：

一、产品特点

• 高整合度：FP8202集成了多种功能，包括充电控制、保护机制等，使得外部组件需求减少，便于设计和应用。
• 可调式充电电流：充电电流可以通过外部的侦测电阻进行调整，最大可输出2A的充电电流，满足不同设备的充电需求。
• 高精度：FP8202的充电电流精度高达1%，确保充电过程的稳定性和准确性。
• 多种保护功能：包括欠压保护（UVLO）、温度保护、自动回复充电等，确保电池和设备的安全。
• 指示灯显示：具备充电状态指示灯功能，可以直观地显示充电状态和故障信息。
• 高效工作频率：工作频率达到600kHz，使得可以使用小型外部元件即可稳定工作输出。

二、应用领域

远翔FP8202因其高效、安全、便携等特点，被广泛应用于各种便携式设备中，包括但不限于：

• 便携风扇
• 美容仪
• 补水仪
• 蓝牙音响
• 便携式信息设备
• 充电码头和摇篮
• 手机和PDA
• 手持电脑等

三、封装与规格

FP8202的封装形式通常为SOP-8L，这种封装形式紧凑且易于安装。此外，FP8202还具备以下规格特点：

• 预设充电电压±1%
• C/10充电终止功能
• 热防护和热养护功能

四、使用注意事项

在使用远翔FP8202时，需要注意以下几点：

• 确保输入电压在芯片规定的范围内。
• 正确连接外部元件，避免短路或接反。
• 在设计电路时，应充分考虑散热问题，以确保芯片在长时间工作下不会过热。
• 遵循产品手册中的使用指南和注意事项，以确保产品的正常工作和长期稳定性。

综上所述，远翔FP8202是一款功能强大、性能稳定的开关模式锂离子电池充电器芯片，适用于各种便携式设备的充电需求。

• 硬件参考设计

• 核心料（哪些项目在用）

利驰叉车监控项目充电管理

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

FP8202.pdf

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)

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