面向移动机器人的主备双路智能电池系统设计

刘洪涛，王 猛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

移动机器人对电池管理要求较高。其可靠性决定了移动机器人能否正常工作。然而，目前移动机器人一般由一组大容量电池组集中为所有电气设备供电，或者由多组电池组分别为不同电气设备供电[1-4]。当其中一组电池出现故障，导致供电中断，机器人整个系统或部分功能将无法正常工作。设计并实现了主备双路智能电池系统，该系统实现了外部供电、主备双路智能电池的无缝切换、过放电保护、电量检测、温度监测等功能。并通过实验验证了该系统能够为移动机器人可靠地提供电能。

2 智能电池系统介绍

智能电池系统（SBS）遵循SBS1.1规范，包括智能电池、系统管理总线（SMBus）、智能电池选择器和智能电池充电管理器。智能电池充电管理器通过SMBus总线与智能电池通讯，采集电池的温度、气压、电流、电压等信息，实现充放电管理、电源轨切换和监控等功能。SBS的模块化特性使系统具有灵活的扩展能力，双电池切换实现不间断供电，从而保障供电可靠性。图1为SBS系统的原理框图。

与传统方案相比，SBS系统有如下优点[5]：

①智能电池的温度、气压传感器保障电池电量评估准确，充放电管理精准；

②即插即用，标准兼容。具有不同化学特性、配置，甚至不同充电算法的任何符合SBS标准的智能电池组都可以直接兼容；

③内置安全功能。SBS标准提供监视计时器和一个处在电池和充电器之间的特别“安全信号”接口；

④充电器可无主控制器自适应管理；

⑤主控制器可根据需要收集电池状态信息，制定不同的运行策略。

蒋忠伟等人设计的智能电池系统[6-7]是在SBS基础上，采用RS-232协议替代SMBUS总线提升电池管理系统的通用性.但因采用单电池的智能电池系统，无法实现不间断供电，难以保障移动机器人供电的高可靠性要求。

图1 SBS系统原理框图

3 主备双路智能电池系统设计

主备双路智能电池系统可实现直流输入与智能电池组输入之间、两个智能电池组之间的电源路径选择，智能电池组的充电管理以及与STM32系统之间的通信交互功能。目前市面上支持智能充电的芯片较多，比较常见的有德州仪器公司的BQ247XX,凌特公司的LTC40XX,美信公司的MAX87XX等等。选用凌特公司的双智能电池管理器芯片LTC1760作为智能电池系统管理电路的核心，通过单芯片实现智能电池选择器和充电器的功能。其原理框图如图2所示。图3为采用LTC1760芯片的连接示意图。

采用此种设计的特点如下[8]：

①双电池同步充电模式相对顺序充电模式的充电器可以缩短充电时间。

②3个电源通路MOSFET支持从DCIN和两个电池同时放电，提供更大的放电电流。

③硬件可编程电流和电压安全限制以及很多其他安全功能用以补充电池的内部保护电路。

图2 双路智能电池系统的原理框图

图3 LTC1760系统架构示意图

3.1 电路设计

主备双路智能电池系统采用凌特公司的双智能电池管理器芯片LTC1760作为核心芯片。LTC1760是为使用双路智能电池应用而设计的高度集成的3级电池充电器和选择器，采用降压开关拓扑，具有符合智能电池标准定义的多种功能和输入限流、安全限制等新增功能。

LTC1760的SMBus接口可以跟踪电池的内部电压和电流，同时允许一个外接的SMBus主机监控任意一个电池的状态。通过SMBus接口，主机系统可获知电池供电系统的工作状态。例如电池组的电压、电流、充电电压、充电电流、电池告警状态，以及使用的是外接电源还是电池组供电等。LTC1760的充电精度由电池组内部的电压、电流测量值决定，典型的测量精度误差为±0.2%。双电池系统通常采用顺序放电方式放电，即先消耗电池组1的电量，再消耗电池组2的电量，通过这种方式来简单地延长总的电池放电时间。而LTC1760采用专有的供电路径架构，支持两路电池同时充电或放电。典型状态下，可使电池供电时间延长10%，而充电时间可减少50%。

LTC1760芯片具有功能完备，电路设计主要需要确定如下5个参数：

(1)输入限流电阻RCL

用于限制系统充电电流和负载电流之和，不超过外接电源适配器的额定电流。系统中，适配器选择24V、150W，额定电流为6A，RCL=100mV/ILIM

RCL选择0.018Ω/1W的电阻，ILIM=5.7A。

(2)限流电阻RILIM

设定充电器可以供给电池的最大允许电流，任何超过这个限度的值都会被限定值所取代。

(3)匹配充电电流检测电阻RSENSE

作用是让充电器的满标度电流与设置满标度限流值同步。在本系统中充电最大电流设定为4A，RILIM设定为开路，RSENSE使用0.025Ω/1W的电阻。

(4)限压电阻RVLIM

用于设定充电器可输出的5个限压值中的一个，系统中充电限制电压设定为16.8V，因此，RVLIM选择33kΩ的电阻。

(5)短路保护电阻RSC

用于设定电路短路保护启动电流。系统中3个电源通路都由2个背对背的P沟道场效应管与短路检测电阻RSC串联。系统中选择RSC=0.012Ω/1W。

基于以上5个主要参数，并结合其他相关辅助电路设计，最终形成了主备双路智能电池系统整体方案并制作了控制板实物电路。图4给出了主备双路智能电池系统的电池管理模块及断电保护模块原理图。图5给出了主备双路智能电池系统控制板的板图设计，图6则给出了控制板实物图。

图4 电池管理模块及断电保护模块原理图

3.2 软件设计

为了更准确的了解主备双路智能电池系统运行情况以及电池状态，基于Microsoft Visual Studio开发工具包，使用C语言和C++语言进行编程，设计并开发了与之匹配的智能电池管理系统应用程序。通过该应用程序可以实时监控系统运行情况及电池状态，并可以实现主备双路电池系统的充放电管理和状态监控等功能，为机器人控制器的电源管理策略提供数据。图7为主备双路智能电池系统应用程序的监控及配置界面。

图5 主备双路智能电池系统控制板布局图

图6 主备双路智能电池系统控制板实物图

4 实验结果

主备双路智能电池系统已经应用到某型号移动机器人的设计开发中。移动机器人控制器通过串口与智能电池系统通讯，实现过放电保护、电量检测、温度监测等功能。在一系列的测试实验中，该智能电池系统运行状态良好，能够准确的监测电池状态，并采取相应的调整措施，为移动机器人提供稳定的电能。

5 结束语

移动机器人对电池管理要求较高。设计并实现了主备双路智能电池系统，较为详细的介绍各部分的组成结构和原理设计，并通过实验验证了该系统的可靠性和稳定性。主备双路智能电池系统可以实现外部供电、主备双路智能电池的无缝切换，过放电保护，电量检测，温度监测等功能，进一步提升了移动机器人供电系统的可靠性，并推动了移动机器人的发展。

图7 主备双路智能电池系统应用程序的监控及配置界面

[1]梁东，施家栋，王建中.移动机器人不间断电源管理系[J].计算机测量与控制，2013,21(12):3418-3420.LIANGDong,SHIJiadong,WANGJianzhong.Uninterruptible power supply management system on mobile robots[J].Computer Measurement&Control,2013,21(12):3418-3420.

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