系统供电电路及电池组充电电路的设计
eeskill 2022-09-23

环境测试仪是指能够测量温度、湿度、压力、风速等环境参数的仪器。为了满足各种复杂地理环境下的测试需求, 测试仪迫切需要小型化和便携式。为了保持与现有软件的最大兼容性, 我们选用PC104 的系统架构设计了便携式的测试仪。PC104 是IBM PC 兼容工业标准的架构体系。PC104 主板对电源系统要求较高, 设计选用工业级的PC104 电源板, 此电源板支持宽范围输入( DC8~ 36 V) , 效率高达96 % 。为了满足便携性, 系统必须支持电池组供电( 锂电池组或铅酸蓄电池组等) , 由于锂电池组具有单节电池标称电压高、自放电率低、质量能量密度和体积能量密度高、没有记忆效应等优点, 本系统选用锂电池组供电。本文主要讨论了系统供电电路及电池组充电电路的设计。

1 系统总体结构

经实际测试, 并留出一定裕量, 设计选用9 600mAh 12 V 锂电池组。实际采用单节标称电压3. 7 V,充电限制电压4. 2 V, 容量2 400 mAh 的锂电池电芯,三串四并组成电池组, 使用MM1414 芯片完成过充、过放、过流以及短路保护功能。锂电池的典型充电算法是恒流与恒压算法( CC/ CV ) 。根据国家标准GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充电, 电池电压随着充电过程逐步升高, 当电池端电压达到12. 6 V, 改恒流充电为恒压充电,电流根据电芯的饱和程度, 随着充电过程的逐步减小, 当减小到某个值时, 认为充电终止。

根据此标准设计选用0. 2 C 倍率恒流充电, 充电倍率达到0. 01 C 时认为充电结束, 即分别对应电流约为2A 和100 mA。根据以上要求设计系统总体结构,

系统使用直流18~ 30 V 输入, 可以直接使用笔记本电源。D1 用于防止电源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒压限流电路为本电路核心, 在输出电压低于12. 6 V 时工作在2 A 恒流状态, 当输出电压达到12. 6 V 时, 使输出电压恒定。D2、D3 和C1 完成电源切换功能。外部电源供电时, 由于P 端电压总是保持在12. 6 V 以上, S 端通过外部电源供电, 若无外部电源时, 由于电池电压比P 端的电压高, 则通过电池对系统进行供电。稳压电路主要负责将S 端的电压转换为系统所需的各种电压。ADC1 和A DC2 分别为电流和电压采集端, ADC1 和ADC2 端的信号经过OP 电路放大, 然后输入到ADC 电路,MCU把各种相关数据通过RS232传送到PC104 系统。R4 和D4 完成供电状态的检测,用于检测系统是外部电源供电还是电池供电, 使系统自动调整自动关机或自动待机的等待时间。电路同时提供声光方式的报警及显示功能, 当出现电压过低等情况时, 能以比较醒目的方式进行提醒。PC104 电源板和PC104 系统是本电路的负载。电路中D1 、D2 、D3均为肖特基二极管, 肖特基二极管具有正向压降低、反向恢复时间短等优点; R1 、R2、R3 为1 %精密电阻。

2 系统软件设计

系统工作时间与电池电量成线性关系, 而电量与电池端电压为非线性关系。图2 所示为本系统所用电池在2 000 mA 恒流放电的情况下, 电池端电压与电量的关系曲线, 其中横轴为电池电压, 纵轴为剩余电量相对于总电量的百分比。根据此曲线, 在MCU 软件中拟合一个电压与电量关系的数据表, 同时设置10 V为告警电压; 系统可以实时查询诸如电池电压、电流、剩余电量、估计供电时间等信息, 并同时仿手机做成3段式显示, 使上位机全面掌握电池状态, 决定控制策略, 从而提高系统运行可靠性。MCU 软件使用KeiluV2 软件开发, 上位机软件使用LabWindow s 软件开发。MCU 除完成电量查询相关功能, 还要完成报警与显示功能; 上位机软件同时要完成环境参数的相关采集与处理。

3 系统测试

将该电路应用到实际系统并进行测试。外部电源为DC20 V, 测试内容及测试结果如下:

( 1) 充分放电后进行测试, 5. 1 h 完成充电, 理论充电电流2 000 mA, 理论时长4. 8 h, 基本正常;

( 2) 所有数据读取正常, 报警及显示功能正常;

( 3) 各电压值均在指定范围内, 误差低于 2 %,测试波形稳定;

( 4) 2 A 额定电流工作, 各种芯片温度正常, 系统工作正常;

( 5) 充满电后, 可以连续使用约4 h;

( 6) 外部电源供电时效率约为85 %, 电池供电效率约为90 %。

经测试, 该电路在性能上完全满足要求, 并同时可以做到对电池状态准确和实时了解。

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