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

01

物聯(lián)網系統(tǒng)中為什么要使用充電電池管理芯片

物聯(lián)網系統(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：電池管理芯片能夠實時監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等關鍵參數(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)網系統(tǒng)中大量使用的電池供電設備來說至關重要。

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)調整充放電策略，如采用智能快充技術縮短充電時間，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)網設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)網設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)網技術的發(fā)展，設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實現(xiàn)多種功能，滿足物聯(lián)網設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備停機時間和維修成本，提高系統(tǒng)的整體可靠性和經濟性。

具體應用場景

充電電池管理芯片廣泛應用于各個領域，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。

便攜式電子設備：如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、無人機等設備的電池管理。

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)療設備：確保醫(yī)療設備的電池穩(wěn)定、安全地運行。

綜上所述，物聯(lián)網系統(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)網領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，能夠實時監(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，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結束。下圖為充電曲線

圖1

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.

充電結束后,如檢測到電池電壓低于3.89V將重新充電。

圖3

圖3是可以對短路的電池激活的充電方法。

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，當電池溫度超出設定范圍時關閉對電池充電。

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計中，對手機充電結束后由于某種因素放電的情況而專門設計了檢測電路，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。

功耗和轉換效率：低功耗和高轉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品。

請注意，以上信息僅供參考，具體選型和使用時還需結合實際情況進行綜合考慮。

供應商A：圣邦微

1、產品能力

（1）選型手冊

產品導出-2023_02_22.xls

（2）主推型號1:SGM40560

對應的產品詳情介

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計的精密線性恒流、恒壓充電的單片電路。以下是關于圣邦微SGM40560的詳細介紹：

一、產品特點

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備中，如：

藍牙耳機、藍牙鼠標等無線設備

無線體溫計、無線血氧計、無線脈搏計等醫(yī)療設備

有源鑰匙、有源信標等安全設備

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。

充電電流：通過外加電阻進行設置，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備中。

硬件參考設計

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）技術產品

技術資料

技術對接

技術能力

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

供應商B：友臺半導體（UMW）

1、產品能力

（1）選型手冊

產品編號	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品中。以下是關于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。

可編程充電電流：通過外部電阻器可以調節(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布局的熱設計）。

熱反饋調節(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、藍牙設備等便攜式電子產品中。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，并且正確連接外部元件。

注意充電電流的設置，避免過大或過小的充電電流對電池造成損害。

在設計電路時，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品提供高效、安全的充電解決方案。

硬件參考設計

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）技術產品

技術資料

C668215_TP4054_2021-10-11.PDF

供應商C:遠翔

1、產品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：FP8202

對應的產品詳情介紹

遠翔FP8202是一款高度集成的開關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備中。以下是對遠翔FP8202的詳細介紹：

一、產品特點

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，便于設計和應用。

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

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。

正確連接外部元件，避免短路或接反。

在設計電路時，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。

遵循產品手冊中的使用指南和注意事項，以確保產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)定的開關模式鋰離子電池充電器芯片，適用于各種便攜式設備的充電需求。

硬件參考設計

（如有侵權，聯(lián)系刪除）

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）技術產品

技術資料

FP8202.pdf

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審核編輯 黃宇