基于BQ24105的充电管理电路在物探仪器中的应用

徐晶

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077)

0 引言

适用于煤矿井下安全程度为“ib”的物探仪器设备的电池组作为非本安端子不能直接引出仪器，一般仪器表面的充电接口须串联2级二极管与电池组相连。传统的外部充电器由于不能直接与电池组连接，不能实现电池组参数如电池电压、电池组温度的精准测量，影响仪器锂电池充电的安全性。我们提出将基于充电管理芯片的充电方案应用于物探仪器，采用充电管理芯片的充电方案实质是将物探仪器常用的充电器中充电管理功能放入物探仪器内部与电池组直接相连从而提高整个充电过程的安全性。

图1 典型的充电曲线

1 BQ24105的工作原理

BQ24105是一款内部集成了功率场效应管的同步开关锂电池充电管理芯片，其主要特性有：（1）内部集成的功率场效应管可支持2A的充电电流；（2）高精度的电压和电流调节；（3）可独立实现充电管理控制，也可以在系统控制下工作；（4）状态输出可直接驱动led进行显示，也可连接主机处理器接口传递状态信息；（5）电池温度实时监测；（6）热关断、热保护。

BQ24105采用传统的恒流恒压模式对电池组进行充电，其典型的充电曲线如图1所示，其中实线为电流/时间曲线，虚线为电压/时间曲线。在充电开始之前，BQ24105内部集成的电池检测方案自动检测到电池组是否连接，当确认电池组连接时，BQ24105进入充电阶段。图1 所示的充电曲线包含了预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段三个阶段，在实际使用中BQ24105会根据电池组的电压确定充电过程从哪个阶段开始。

2 基于BQ24105的本安充电管理电路设计

2.1 电路设计

考虑到物探仪器的多样性，设计采用BQ24105独立充电模式，充电电压、充电电流、预充电电流、充电安全时间均为可调节参数以适应不同仪器的充电需求。根据《GB3836.1-2010爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》，煤矿井下使用的本质安全电路属于“ib” 等级，其本质安全电路需要同时设置两级保护电路。图2所示电路中D1和D2为两个阻塞二极管，二者串联构成两级保护，防止电池组作为非本安电源直接引出仪器，保证了充电回路的本质安全性。D4、D5、D6为状态显示灯，分别采用蓝色LED、红色LED、绿色LED以区分不同状态。C5为安全时间设置电容，按照公式(1)对电容值进行计算，其中tCHARGE为充电时间；R9、R10、R11、R12用于充电电压设置，按照公式(2)选取合适的电阻值，R10、R12分别和R9和R12并联，可以提高充电电压的设置精度；R1、R5、R6用于充电电流设置，按照公式(3)、 (4) 、(5)选取合适的电阻值。

图2 本安型充电管理电路

R7、R8用于充电温度区域设置，按照公式(6)和公式(7)选取合适的电阻值，其中RTH、RT1分别为热敏电阻的低温阈值的电阻值和高温阈值的电阻值，其余参数可以在BQ24105的数据手册中查找。

2.2 实验测试

针对两串的磷酸铁锂电池组（6.4V/9Ah）设计充电管理电路，首先确定充电电路参数：充电电压为7.2V、充电电流2A、预充电电流和充电截止电流为200mA；然后根据公式计算电路中电容、电阻值，具体值如图2所示。

随机挑选出10块充电管理电路分别对10组磷酸铁锂电池组（6.4V/9Ah）进行充电，其中Vin端口输入电压为9V。实测关键参数：充电电流、充电电压和充电完成后的放电容量，测试数据如表1所示。

表1 充电电路板的实测参数值

充电电流实测值与设置值之间最大偏差为3.4%，充电电压实测值与设置值之间最大偏差0.33%，充电完成后的放电容量测试全部大于等于9Ah，可以满足仪器实际充电需求。

3 总结

本文提出将智能设备的充电管理芯片引入物探仪器设备中进行充电管理，基于充电管理芯片的充电方案采用恒压恒流的方式完成锂电池组充电，相比外部充电器增加了预充电、高低温充电保护等功能，在提高锂电池充电的安全性的同时也极大的延长了锂电池的循环寿命。

参考文献

[1]李江全，任玲.LabVIEW虚拟仪器——从入门到测控应用130例[M].北京:电子工业出版社，2014.