某测量装置大容量可充电电源模块设计*

李战芬，张佳宁，甄国涌*，储成群，侯　卓

（1.太原工业学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

某测量装置大容量可充电电源模块设计*

李战芬1，张佳宁2，3，甄国涌2，3*，储成群2，3，侯卓2，3

（1.太原工业学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

大容量可充电电源模块是某测量装置的重要组成部分，并为测量装置在测试过程中的其它各功能模块提供相应的电源。针对测试需求中工作时间长，环境恶劣，温度变化范围大的特点，设计了一种基于铅酸电池的双备份电源模块，采用达林顿管式充电电路给电池充电，通过低压差电源转换芯片输出系统所需的各种电压，同时利用二极管的单向导电性实现双备份可靠性设计。该电源模块可在-45℃～60℃环境下以3 A电流输出正常工作5 h，满足测量装置试验需求。

大容量；达林顿管；铅酸电池；双备份

某测量装置为机载挂飞试验或导弹上的专用测量设备，试验过程中该设备脱离地面电源工作，因此需要设计专用的供电系统，而可充电电源设备的选择是整个供电系统的基础，是保证该装置正常工作的关键因素。锂电池因其体积小被广泛应用，一般锂电池如果电压值较高，主要是通过多个锂电池串联产生较高电压，单个模块的电压为3.7 V，容量为2 000 mAh，实际测量系统需要电压值较高在7 V～8 V以上，工作时间为5 h，所需总电量约为20 Ah，如果使用锂电池方式供电，至少需要串联10块锂电池才能满足容量需求，此时电压太大，造成不必要的系统功耗。同时该测量装置的工作环境温度为-45℃～60℃，而锂电池在低于-20℃的环境中已经不能正常工作。

针对测量装置的工作条件以及锂电池的优缺点，选择了一种放电容量大，输出电压高同时工作温度范围宽的可充电电池-铅酸电池。

该铅酸电池输出电压能够达到12 V，容量最大有75 Ah，在-55℃～75℃范围内可以正常工作，并且有很强的抗震性能和深度放电能力［1］。该电源模块以铅酸电池为供电设备，设计调理电路输出整个测量装置所需的所有电压，并且设计可充电电路为铅酸电池充电，实现电池的循环利用，降低试验成本；同时，为了提高系统的可靠性，将该电源模块设计为双备份供电模式［2］。

1　系统总体设计

整个电源模块主要由充电模块、电压调理模块、双备份模块以及主控制单元组成。

电源模块工作原理：

地面控制单元提供的长线电源经过5 m电缆输出到可充电模块为铅酸电池充电，而铅酸电池充电时电池两端电压最高能够达到14.7 V，充电模块以及二极管、达林顿管压降为2.15 V，所以充电电压最小为16.85 V，5 m电缆电阻为0.1205 Ω，充电电流3 A，所以地面提供的长线电源电压最小为17.25 V。电池充满电后作为整个测量装置的能量来源，经过不同的电压调理电路输出测量系统所需的各种电压。普通的地面试验不需要电池供电，直接由地面长线电源供电完成相应测试工作，即充电的同时整个系统也能够正常工作［3］。主控制单元主要通过FPGA控制实现地弹转电，使测量装置在脱离地面工作时实现使能电压的转换。

2　系统硬件实现

该测量装置需要进行多次试验，一次试验持续工作5 h，工作过程中总电流约为3 A，并且电池在低温环境中放电能力减弱，为了保证足够的放电容量，选用额定电压为12 V，额定容量为25 Ah的电池。

2.1铅酸电池充电原理

铅酸电池的充电过程分为4个阶段：涓流阶段、恒流阶段、快充阶段以及浮充阶段。当铅酸电池深度放电后，或者电池两端电压低于额定电压的87.5%，充电进入涓流阶段，以设定好的涓流电电流开始充电，为了防止铅酸电池在深度放电后大电流充电会损坏电池内部的化学物质，涓流电流一般不大于200 mA，并且持续时间较短。当电池两端电压高于额定电压的87.5%，充电进入恒流阶段，恒流阶段持续时间较长，为主要的充电过程，占充电时间的80%。当电池两端电压高于额定电压的95%，进入快充阶段，此时电池电压逐渐接近额定电压，而流入电池的电流开始下降。当电流下降很快的时候，充电进入最后的浮充阶段，当电流降到100 mA时，完成充电。

2.2达林顿管式充电电路设计

铅酸电池基本充电电路如图1所示。

图1　达林顿管式充电电路

图1左侧为充电模块电路，主要采用BQ24450芯片实现，而恒流阶段作为整个充电过程的主要阶段，其充电电流的选择是关键，充电电流太小，充电时间会很长；充电电流太大，系统功耗会增加，并且需要做特殊的散热保护。综合考虑整个测量装置所能承受的最大功耗、电池自身特性、充电时间以及散热处理措施，充电电流设置为3 A。具体计算由式（1）决定：

250 mV是芯片BQ24450电流调整端引脚之间的压差，为恒定值。

整个充电过程不同阶段的检测由达林顿管控制［2］。BQ24450内部嵌有电压比较器，充电过程中电池电压与芯片内部的参考电压经电压比较器比较反馈到VFB端，达林顿管通过VFB端的反馈电压值来调节充电阶段。而其类型的选择与恒流阶段充电电流的大小有关，若选用单一的PNP型或者NPN型三极管，Imaxchg的范围为25 mA～1 000 mA；若选用达林顿管，此时Imaxchg的值最大可达到15 A。电流超过1 A，需要选择大功率型达林顿管，并且达林顿的集电极-发射极之间压差必须大于等于1.2 V，基极驱动电流小于25 mA，设计中选用NPN型三极管BD911与PNP型三极管BD242组成的PNP型达林顿管控制整个充电过程。

当电池深度放电后，电池才会进入涓流阶段，涓流阶段涓流电流在0～200 mA之间选取，其值越小，对电池越好。因为可充电电池不建议深度放电，深度放电会缩短电池的寿命，而较小的充电电流对电池具有缓冲作用，保护电池延长电池的循环使用寿命［4］，所以将涓流电流设置为50 mA，具体计算由式（2）决定：

所选电池额定电压为12 V，容量为25 Ah，根据电池充电特性，设置快充电压14.7 V，浮充电压13.8 V。

2.3双备份设计

为了保证设备在-45℃～60℃环境中能够正常工作［5］，在高低温试验箱中做了铅酸电池的放电试验，测试电池在不同温度下的放电能力，试验记录数据如表1所示。

表1　不同温度下电池放电效率记录表

图2为电池以3.6 A的电流在-45℃的放电曲线。

图2　-45℃电池放电曲线

分析图2曲线得出：电池在整个放电过程中，刚开始的2.6 h内电流很稳定，基本保持3.6 A不变，电池两端电压在缓慢下降；随着电池电压降到11 V，电流开始下降，当电压降到10.5 V时，电流加快下降，电压也急剧下降，这时电池进入深度放电状态，电压在5 min内就会降到0 V，此时不建议继续放电，继续放电会损坏电池内部的化学物质，使阳极αPbO2被迫参与化学反应，再次充电时，出现不可逆的现象，造成阳极软化，缩短电池的寿命［6］。约2.8 h后，停止放电，计算出电池放电容量为9.36 Ah，只有额定容量的37%。结合表1中的数据可以得出结论：随着温度的降低，电池的放电能力逐渐减弱。然而9.36 Ah的容量远远不能保证设备正常工作，所以电源系统选用两块电池，在电池后面增加二极管［7］，利用二极管的单向导电性实现双备份供电，之后做低温放电试验，实验曲线如图3所示。

图3　-45℃双备份电池放电曲线

图3所示放电试验的放电电流为3.4 A，放电时间约4.5 h，从中可以看出，放电过程中两块电池的电压变化曲线几乎重合，最终计算出的放电容量约为15.3 Ah，可以保证设备正常工作。

3　充电试验

用外部电源、高精度万用表、电流表等做电池充电试验，表2为充电过程中所记录的试验数据。

表2　充电试验数据记录

分析数据得出：充电过程开始时，电池以50 mA涓流电流开始充电，10 min后电流变为2.98 A，充电进入恒流阶段，电池两端充电电压逐渐升高；8 h后，充电电压保持14.7 V不变，电流开始下降，充电进入恒压阶段；9.5 h后，电流下降速度加快，而充电电压保持13.8 V基本不变，充电进入浮充阶段；10 h后，电流降到0.1 A，充电完成。充电完成后，关闭电源，测量电池两端电压为13.2 V，将电池静放1 h，再一次测量电池两端的电压为12.5 V，此时电池两端的电压为实际电压，略大于刚充完电后所测得的电压。

在整个充电过程的不同阶段，达林顿管两端的压差一直在改变，随着电池电压的升高，压差逐渐降低，并且引脚的温度也在逐渐降低，再一次验证了达林顿管对整个充电过程的控制作用，同时为了保证电源系统的可靠工作，在PCB布板与结构设计时要采取必要的散热措施［8］。

4　结束语

本文设计的大容量可充电电源系统已经成功应用于某测量装置，试验过程中该测量装置在低温环境中只工作了1 h，其余都在0℃以上，设备实际工作时间有5 h，试验结束后，测量电池两端的电压为11.8 V，电池仍然有电，再一次证明了该电源系统的可靠性、稳定性与可行性。

［1］刘文怡，张彦军，李海宏，等.全覆盖型弹载数据记录器的研究与实现［J］.电测与仪表，2008，45（1）：.43-45.

［2］刘伟达，董林玺.可供便携式设备充电的移动电源设计［J］.电子器件，2014，37（4）：795-798.

［3］佟强，张东来，徐殿国.分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析［J］.中国电机工程学报，2011，31（12）：57-64.

［4］胡亮灯，孙驰，赵治华，等.高电压宽范围输入低电压输出的DC-DC辅助电源设计［J］.电子技术学报，2015，30（3）：103-114.

［5］彭琦，刘晓龙，周璐，等.航天相机地检设备电源管理系统设计［J］.东北师大学报，2011，43（4）：59-63.

［6］包天悦，蒋京颐，曹雪.蓄电池组电容量的在线分析系统［J］.科学技术与工程，2011，11（5）：1074-1076.

［7］刘波，卢兴顺，毛宏.基于MAX16024的低功耗设备电源备份方案［J］.电子设计工程，2009，17（7）：1596-1598.

［8］武永鹏，甄国涌，侯卓.弹地试验用地面检测单元长线传输接口的抗干扰设计［J］.科学技术与工程，2013，13（26）：7847-7850.

李战芬（1975-），女，山西运城人，实验师，主要从事计算机算法和实验室管理研究工作，410992544@qq.com；

张佳宁（1990-），女，汉族，山西大同人，中北大学电路与系统专业硕士研究生，主要研究方向为电路与系统，zjn_nuc@ 163.com；

甄国涌（1971-），男，山西阳泉人，教授，硕士生导师，主要从事测试系统集成技术与应用软件技术研究工作，zhen_gy0124@ 163.com。

Design of High-Capacity Rechargeable Power Supply Module of the Measuring Device*

LI Zhanfen1，ZHANG Jianing2，3，ZHEN Guoyong2，3*，CHU Chengqun2，3，HOU Zhuo2，3
（1.Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The rechargeable power supply module of high-capacity is an important part of a measuring device，and provides the different power supply requirements for other module in the device.According to the characteristics of the long hours working，harsh environment and wide temperature range in the testing work，a double backup power supply system based on lead-acid battery is designed.This module brings forward a charging circuit based on Darlington for rechargeable battery，and can produce all power supply that the measurement system required through adjustable low-dropout regulators.To improve the reliability of the system，the design uses unidirectional conductivity of diode to realize double backup supply.The power supply module can work 5 hours with 3 A output current normally in-45℃～60℃environment，and meets the demand of measuring test.

high-capacity；darlington；lead-acid battery；double backup

TP303

A

1005-9490（2016）05-1220-04

项目来源：国家自然科学基金重点项目（51075375）

2015-10-20修改日期：2015-11-11

EEACC:1210；836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.039