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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中二次電池充電方案硬件設(shè)計分享_充電電池管理芯片

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-26 14:41 ? 次閱讀

01

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用充電電池管理芯片

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用充電電池管理芯片的原因主要有以下幾點:

提升電池安全性和穩(wěn)定性

實時監(jiān)測與保護:電池管理芯片能夠?qū)崟r監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)并防止電池過充、過放、過流、過熱等異常情況,從而避免電池損壞甚至爆炸等安全隱患。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中大量使用的電池供電設(shè)備來說至關(guān)重要。

均衡管理:對于串聯(lián)電池組,電池管理芯片還能實現(xiàn)單體電池之間的電壓均衡,確保每個電池都處于最佳工作狀態(tài),延長整個電池組的使用壽命。

優(yōu)化電池性能

智能充放電控制:電池管理芯片能夠根據(jù)電池的實時狀態(tài)調(diào)整充放電策略,如采用智能快充技術(shù)縮短充電時間,或在電池接近滿電時自動降低充電電流以減少熱量產(chǎn)生。這些措施有助于提升電池的使用效率和循環(huán)壽命。

高效能量利用:通過精確控制電池的充放電過程,電池管理芯片可以減少不必要的能量損耗,提高能量利用效率,這對于依賴電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說具有重要意義。

適應復雜應用環(huán)境

寬范圍工作條件:物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往需要在各種復雜環(huán)境中工作,如高溫、低溫、潮濕等。電池管理芯片通常具備較寬的工作溫度范圍和電壓監(jiān)測范圍,能夠適應這些極端條件,確保電池的穩(wěn)定運行。

高集成度與小型化:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,設(shè)備對小型化和輕量化的要求越來越高。電池管理芯片的高集成度使得其能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)多種功能,滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對體積和重量的限制。

提升系統(tǒng)可靠性和用戶體驗

延長設(shè)備續(xù)航:通過精確管理電池的充放電過程,電池管理芯片可以最大限度地延長設(shè)備的續(xù)航時間,減少用戶因電池電量不足而頻繁充電的煩惱。

降低維護成本:電池管理芯片的應用可以減少因電池故障而導致的設(shè)備停機時間和維修成本,提高系統(tǒng)的整體可靠性和經(jīng)濟性。

具體應用場景

充電電池管理芯片廣泛應用于各個領(lǐng)域,包括但不限于:

電動汽車和混合動力車:用于電池組的監(jiān)測、保護和控制。

緊急照明和UPS電源:用于儲能系統(tǒng)和應急電源的電池管理。

便攜式電子設(shè)備:如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、無人機等設(shè)備的電池管理。

太陽能和風能儲能系統(tǒng):用于儲能系統(tǒng)中的電池組管理。

醫(yī)療設(shè)備:確保醫(yī)療設(shè)備的電池穩(wěn)定、安全地運行。

綜上所述,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用充電電池管理芯片是出于提升電池安全性、優(yōu)化電池性能、適應復雜應用環(huán)境以及提升系統(tǒng)可靠性和用戶體驗等多方面的考慮。這些優(yōu)勢使得電池管理芯片在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應用和推廣。

本文會再為大家詳解電源芯片家族中的一員——充電電池管理芯片。

02

充電電池管理芯片的定義

充電電池管理芯片(Battery Management Chip, 簡稱BMS)是一種集成電路,主要用于監(jiān)控、控制和保護電池。它在電池組中起著關(guān)鍵作用,確保電池的安全性和性能穩(wěn)定。電池管理芯片通常由微控制器、電壓監(jiān)測電路、溫度監(jiān)測電路、電流測量電路和保護電路等組成,能夠?qū)崟r監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數(shù),并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整充電和放電策略,防止電池過充、過放、過流、過熱等異常情況的發(fā)生。

03

充電電池管理芯片的原理

充電電池管理芯片的工作原理主要包括以下幾個方面:

電壓監(jiān)測:通過對電池組中每個單體電池的電壓進行監(jiān)測,判斷電池的充放電狀態(tài)以及單體電池之間的電壓均衡情況。

溫度監(jiān)測:通過傳感器對電池組和單體電池的溫度進行監(jiān)測,防止電池過熱或過冷引發(fā)安全問題。

電流測量:通過電流傳感器對電池組中的充放電電流進行測量,實時監(jiān)控電池組的工作狀態(tài)。

保護控制:根據(jù)監(jiān)測到的電壓、溫度和電流等參數(shù),對電池組進行保護控制,包括過充保護、過放保護、過流保護等。

具體工作過程如下:

離子電池的充電過程可以分為四個階段:涓流充電(低壓預充)、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

鋰電池充電器的基本要求是特定的充電電流和充電電壓,從而保證電池安全充電。增加其它充電輔助功能是為了改善電池壽命,簡化充電器的操作,其中包括給過放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動啟動充電等。

鋰電池的充電方式是限壓恒流,都是由IC芯片控制的,典型的充電方式是:先檢測待充電電池的電壓,如果電壓低于3V,要先進行預充電,充電電流為設(shè)定電流的1/10,電壓升到3V后,進入標準充電過程。標準充電過程為:以設(shè)定電流進行恒流充電,電池電壓升到4.20V時,改為恒壓充電,保持充電電壓為 4.20V。此時,充電電流逐漸下降,當電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時,充電結(jié)束。下圖為充電曲線

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圖1

wKgaomb1AgCAepv6AAKj75mFXVc814.jpg

圖2

階段1:涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充(恢復性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電,涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例,則涓流充電電流為100mA),

階段2:恒流充電——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時,提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V.

階段3:恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時,恒流充電結(jié)束,開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少,當減小到0.01C時,認為充電終止。(C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法,如電池是1000mAh的容量,1C就是充電電流1000mA。)

階段4:充電終止——

有兩種典型的充電終止方法:采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流,并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時,持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃),那么充電會暫停.

充電結(jié)束后,如檢測到電池電壓低于3.89V將重新充電。

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圖3

圖3是可以對短路的電池激活的充電方法。

wKgaomb1AgKAJFdLAAFfwxeq7Lk965.jpg

上圖為充電流程

手機充電器的工作流程一般為: 1. 檢測電池的電壓,如果低于一個閾值電壓,就要進行涓流充電; 2. 電池充到一定電壓(一般設(shè)置為2.9V)時,進行全電流充電; 3. 當電池電壓達到預置電壓(鋰離子電池一般為4.2V)時,開始恒壓充電,同時充電電流降低; 4. 當電流逐漸減小到規(guī)定的值時,充電過程結(jié)束。

電池電壓低于2.5V(Vshort)時,鋰離子電池充電器用25mA的電流預充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時被損壞甚至發(fā)生危險。

對于電壓過低的電池需要進行預充,電池電壓低于2.5V(Vshort)時,鋰離子電池充電器用25mA的電流預充,防止深度放電的鋰離子電池在快充時被損壞甚至發(fā)生危險。

充電終止檢測除電壓檢測外,還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施,如電池溫度監(jiān)測,檢測電池溫度用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度,當電池溫度超出設(shè)定范圍時關(guān)閉對電池充電。

限定充電時間,為電池提供附加保護。

除了上面的流程描述,它還具有自動重新充電、最小電流終止充電等特性。 一般來說,恒壓充電結(jié)束時的小電流充電過程中,電流的大小一般為恒流充電時電流的十分之一。目前在鋰離子電池充電器的設(shè)計中,對手機充電結(jié)束后由于某種因素放電的情況而專門設(shè)計了檢測電路,一旦檢測到電池電壓降低,就會重新啟動充電過程(見上圖)。

軟件要做的工作是設(shè)置進入快速充電的電壓閾值,進入恒壓充電的電壓閾值,充電超時時間,恒流充電的電流值,恒壓充電的電壓值,充電結(jié)束的電流閾值,中斷處理,提供sys接口給上層都充電的狀態(tài),包括電池的類型,電池最高電壓,電池最低電壓,電池當前電壓,電池電量的百分比,電池的狀態(tài),充電電流和電池溫度等等。

可以用測量電壓的方法估算電池剩余容量:

4.20V----100%

3.95V----75%

3.85V----50%

3.73V----25%

3.50V----5%

2.75V----0%

04

充電電池管理芯片的選型參數(shù)

在選型充電電池管理芯片時,應根據(jù)具體應用需求綜合考慮以下參數(shù):

電壓監(jiān)測范圍:應具備較寬的電壓監(jiān)測范圍,以適應不同類型電池的需求。

溫度監(jiān)測范圍:應具備較寬的溫度監(jiān)測范圍,以適應不同環(huán)境溫度下的工作需求。

電流測量精度:應具備較高的電流測量精度,以保證對電池組工作狀態(tài)的準確監(jiān)測。

保護功能:應具備過充、過放、過流等保護功能,以確保電池的安全使用。

集成度:集成度越高,所占空間越小,越有利于電池組的整體設(shè)計。

通信接口:根據(jù)主控芯片的通信接口選擇兼容性良好的電池管理芯片。

功耗和轉(zhuǎn)換效率:低功耗和高轉(zhuǎn)換效率有助于延長電池壽命和提高系統(tǒng)效率。

05

充電電池管理芯片的使用注意事項

在使用充電電池管理芯片時,需要注意以下幾點:

準確連接:確保電池管理芯片與電池組、主控芯片等設(shè)備的連接準確無誤,避免接錯線或短路。

散熱處理:電池管理芯片在工作過程中會產(chǎn)生一定的熱量,需要進行適當?shù)纳崽幚?,防止芯片過熱。

軟件配置:根據(jù)實際需求配置電池管理芯片的軟件參數(shù),如充電電流、放電電流、保護閾值等。

故障檢測:定期檢查電池管理芯片的工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)并處理故障問題。

環(huán)境適應性:考慮電池管理芯片在特定環(huán)境下的適應性,如溫度、濕度等。

06

充電電池管理芯片的廠商

市場上有多家知名的充電電池管理芯片廠商,如德州儀器TI)、圣邦微電子(SGM)、英集芯(INJOINIC)等。這些廠商提供的電池管理芯片在性能、功能、可靠性等方面都具有一定的優(yōu)勢,用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的廠商和產(chǎn)品。

請注意,以上信息僅供參考,具體選型和使用時還需結(jié)合實際情況進行綜合考慮。

供應商A:圣邦微

1、產(chǎn)品能力

(1)選型手冊

產(chǎn)品導出-2023_02_22.xls

(2)主推型號1:SGM40560

對應的產(chǎn)品詳情介

圣邦微SGM40560是一款專為小容量鋰離子/聚合物鋰離子二次電池設(shè)計的精密線性恒流、恒壓充電的單片電路。以下是關(guān)于圣邦微SGM40560的詳細介紹:

一、產(chǎn)品特點

獨立工作:SGM40560能夠獨立完成完整的預充、快充、涓流浮充、回退供應保持、阻性壓降補償和再充電過程。

多種最大充電電壓選擇:提供五種不同的最大充電電壓選項,包括3.65V、4.05V、4.2V、4.3V和4.4V,以滿足不同電池的需求。

高精度充電:通過高精度控制,確保電池充電過程的安全和穩(wěn)定。

寬電源電壓范圍:支持3~26.5V的寬電源電壓范圍,適用于多種應用場景。

靈活配置:充電電流可通過外加電阻進行設(shè)置,提供靈活的充電控制。

智能指示:通過LED指示燈,可以方便地了解電池的充電狀態(tài),如充電中和充電完成。

熱限流保護:具備自動熱限流功能,防止芯片過熱,提高產(chǎn)品的可靠性。

綠色封裝:采用TDFN-2×2-6AL和SOIC-8 (Exposed Pad)綠色封裝,符合環(huán)保要求。

二、應用場景

SGM40560廣泛應用于各種需要小容量電池供電的設(shè)備中,如:

藍牙耳機、藍牙鼠標等無線設(shè)備

無線體溫計、無線血氧計、無線脈搏計等醫(yī)療設(shè)備

有源鑰匙、有源信標等安全設(shè)備

光伏蓄能維持、花鼓發(fā)電機蓄能維持等可再生能源系統(tǒng)

三、參數(shù)

在選擇SGM40560時,需要考慮以下參數(shù):

最大充電電壓:根據(jù)電池類型選擇合適的最大充電電壓。

封裝形式:TDFN-2×2-6AL或SOIC-8 (Exposed Pad)封裝,根據(jù)實際應用場景和空間限制進行選擇。

工作溫度范圍:SGM40560的工作溫度范圍為-40℃至+125℃,需確保應用環(huán)境在此范圍內(nèi)。

充電電流:通過外加電阻進行設(shè)置,需根據(jù)具體需求進行配置。

四、使用注意事項

正確連接:確保SGM40560與電池、電源等設(shè)備的連接正確無誤,避免接錯線或短路。

散熱處理:雖然SGM40560具備熱限流功能,但在高功率充電時仍需注意散熱,避免芯片過熱。

軟件配置:根據(jù)實際需求配置SGM40560的軟件參數(shù),如充電電流、充電電壓等。

故障檢測:定期檢查SGM40560的工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)并處理故障問題。

綜上所述,圣邦微SGM40560是一款功能強大、性能穩(wěn)定、應用廣泛的充電電池管理芯片,適用于各種需要小容量電池供電的設(shè)備中。

硬件參考設(shè)計

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核心料(哪些項目在用)

奇跡物聯(lián)鴿子定位器項目電池充電管理

2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

技術(shù)對接

技術(shù)能力

TDFN-2×2-6AL 和 SOIC-8 (Exposed Pad) 綠色封裝

供應商B:友臺半導體(UMW)

1、產(chǎn)品能力

(1)選型手冊

產(chǎn)品編號 封裝形式 包裝 數(shù)據(jù)表
TP4057 SOT23-6 卷裝 https://www.umw-ic.com/static/pdf/e0fb6a1591a7ed8010e7f74530a33670.pdf
TP4056 ESOP8 卷裝 https://www.umw-ic.com/static/pdf/d50280e118828d68172d708046bd342a.pdf
TP4054 SOT23-5 卷裝 https://www.umw-ic.com/static/pdf/56d4121d30ad5975e642e20340b1ebdd.pdf

(2)主推型號1:TP4054

對應的產(chǎn)品詳情介紹

友臺半導體(UMW)的TP4054是一款功能完善的單片鋰離子電池恒流/恒壓線性電源管理芯片,廣泛應用于各類便攜式電子產(chǎn)品中。以下是關(guān)于TP4054的詳細介紹:

一、基本特性

封裝形式:SOT23-5或SOT-23-5L,這種小型封裝使得TP4054非常適用于空間受限的應用場景。

適用電池:專為單節(jié)鋰離子電池設(shè)計,能夠提供高效、安全的充電管理。

充電方式:采用恒定電流/恒定電壓算法,確保電池在充電過程中既快速又安全。

保護功能:內(nèi)置防反接保護、過壓保護、過熱保護等多重保護機制,確保充電過程的安全可靠。

二、功能特點

高精度充電電壓:預設(shè)充電電壓為4.2V,精度達到±1%,確保電池充電的準確性和安全性。

編程充電電流:通過外部電阻器可以調(diào)節(jié)充電電流,最大可編程充電電流可達500mA(有說法稱最大可達800mA,具體取決于PCB布局的熱設(shè)計)。

熱反饋調(diào)節(jié):在高能量運行和高環(huán)境溫度條件下,熱反饋可以控制充電電流以降低芯片溫度,防止過熱損壞。

充電狀態(tài)指示:提供充電狀態(tài)輸出引腳,便于用戶監(jiān)測充電進程。

自動終止充電:當充電電流降至設(shè)定值的1/10時,自動終止充電過程,防止過充。

低電流待機模式:在無輸入電壓或待機狀態(tài)下,芯片自動進入低電流待機模式,將電池漏電流降至極低水平。

三、典型應用

TP4054因其高效、安全、便攜等特點,被廣泛應用于手機、PDA、MP3、藍牙設(shè)備等便攜式電子產(chǎn)品中。此外,它還可以用于其他需要單節(jié)鋰離子電池充電管理的領(lǐng)域,如移動電源、電子玩具等。

四、使用注意事項

在使用TP4054時,請確保輸入電壓在芯片規(guī)定的范圍內(nèi),并且正確連接外部元件。

注意充電電流的設(shè)置,避免過大或過小的充電電流對電池造成損害。

在設(shè)計電路時,應充分考慮散熱問題,以確保芯片在長時間工作下不會過熱。

總之,友臺半導體的TP4054是一款性能優(yōu)異、功能全面的單片鋰離子電池充電管理芯片,能夠為便攜式電子產(chǎn)品提供高效、安全的充電解決方案。

硬件參考設(shè)計

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核心料(哪些項目在用)

老人定位器項目充電管理,智能垃圾桶控制板

2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

C668215_TP4054_2021-10-11.PDF

供應商C:遠翔

1、產(chǎn)品能力

(1)選型手冊

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(2)主推型號1:FP8202

對應的產(chǎn)品詳情介紹

遠翔FP8202是一款高度集成的開關(guān)模式鋰離子電池充電器芯片,具有多種功能和特點,廣泛應用于便攜式設(shè)備中。以下是對遠翔FP8202的詳細介紹:

一、產(chǎn)品特點

高整合度:FP8202集成了多種功能,包括充電控制、保護機制等,使得外部組件需求減少,便于設(shè)計和應用。

可調(diào)式充電電流:充電電流可以通過外部的偵測電阻進行調(diào)整,最大可輸出2A的充電電流,滿足不同設(shè)備的充電需求。

高精度:FP8202的充電電流精度高達1%,確保充電過程的穩(wěn)定性和準確性。

多種保護功能:包括欠壓保護(UVLO)、溫度保護、自動回復充電等,確保電池和設(shè)備的安全。

指示燈顯示:具備充電狀態(tài)指示燈功能,可以直觀地顯示充電狀態(tài)和故障信息。

高效工作頻率:工作頻率達到600kHz,使得可以使用小型外部元件即可穩(wěn)定工作輸出。

二、應用領(lǐng)域

遠翔FP8202因其高效、安全、便攜等特點,被廣泛應用于各種便攜式設(shè)備中,包括但不限于:

便攜風扇

美容儀

補水儀

藍牙音響

便攜式信息設(shè)備

充電碼頭和搖籃

手機和PDA

手持電腦等

三、封裝與規(guī)格

FP8202的封裝形式通常為SOP-8L,這種封裝形式緊湊且易于安裝。此外,F(xiàn)P8202還具備以下規(guī)格特點:

預設(shè)充電電壓±1%

C/10充電終止功能

熱防護和熱養(yǎng)護功能

四、使用注意事項

在使用遠翔FP8202時,需要注意以下幾點:

確保輸入電壓在芯片規(guī)定的范圍內(nèi)。

正確連接外部元件,避免短路或接反。

在設(shè)計電路時,應充分考慮散熱問題,以確保芯片在長時間工作下不會過熱。

遵循產(chǎn)品手冊中的使用指南和注意事項,以確保產(chǎn)品的正常工作和長期穩(wěn)定性。

綜上所述,遠翔FP8202是一款功能強大、性能穩(wěn)定的開關(guān)模式鋰離子電池充電器芯片,適用于各種便攜式設(shè)備的充電需求。

硬件參考設(shè)計

wKgaomb1Ag6ATsyuAAB_6_VsK-M091.jpg

(如有侵權(quán),聯(lián)系刪除)

wKgZomb1Ag-AfjnOAAB-IrFJGOI412.jpg

核心料(哪些項目在用)

利馳叉車監(jiān)控項目充電管理

2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

FP8202.pdf

本文章源自奇跡物聯(lián)開源的物聯(lián)網(wǎng)應用知識庫Cellular IoT Wiki,更多技術(shù)干貨歡迎關(guān)注收藏Wiki:Cellular IoT Wiki 知識庫(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)

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