TI 针对扫地机器人系统的解决方案 【电池管理章节】

作者:TI 华南区现场应用工程师吴杨、曾繁宸

 

摘要

近年来,扫地机器人市场快速崛起,越来越多用户和厂商在关注这个领域。 TI在该应用下提供种类丰富的模拟以及嵌入式解决方案,帮忙您快速进行选型和设计。扫地机器人系统可以分为以下几个子系统: 电池管理,电源管理,电机驱动,传感器及信号调理,人机交互界面等部分。

扫地机器人系统框图可在TI官网页面浏览:http://www.ti.com.cn/solution/cn/vacuum_robots

 

在本系列分享中,将会依次对图中主要子系统进行介绍:

第一节、电池管理

第二节、电源管理

第三节、电机驱动

第四节、传感器及信号调理

第五节、人机交互界面

第一节 电池管理

扫地机器人典型应用是四节锂电池串联使用。电池管理分为电池保护以及充电管理两个部分。如下图所示, 电池保护部分一般会设计在电池包里面,针对电池在各种工况下的异常情况进行诊断和保护。 充电管理会在扫地机器人主板上或在充电坞上,负责对锂电池充电曲线进行管理,以实现高效,安全的充电。

 

下面分别介绍电池充电管理,电池保护和电量计TI相关的解决方案:

 

1.1  充电管理

锂电池为了保证电池安全和寿命,对于充电过程要求分为四个阶段:涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。同时还会有电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等功能的要求。这意味着锂电池的充电需要使用专用电池充电芯片,才能更好的保证电池安全和寿命。TI提供的充电芯片BQ24773可从各方面优化充电管理的设计和性能:

BQ24773关键参数说明:

  • 4.5V至24V的宽输入输入电压范围,支持1-4节电池
  • 可编程输入电流限制、充电电压、充电电流和最小系统电压调节
  • 20mA 负载条件下,兼具 600μA 超低静态电流和>80% 的高脉冲频率调制 (PFM) 轻负载效率,符合Energy Star 和 ERP Lot6 标准。
  • +/-0.5电压检测精度,+/-2%输入输出电流采样
    • 支持600KHz-1.2MHz开关频率(可编程设定)

 

以上便是BQ24773原理的基本简介,更多细节,请参阅BQ24773数据手册

TI提供的专用充电IC能够给系统提供精准的充电控制,完备的保护机制。对提升产品质量,优化系统成本有非常重要的意义。 专用充电IC的使用,不仅仅能够给系统带来更全面和精准的充电,还能够提高电池的使用寿命,降低整体的成本,更多细节可查看以下博客:

The value of a charger IC over a discrete solution for vacuum robots

   

1.2  电池保护和电量计

该功能的实现有依赖于专用锂电池保护IC。 根据用户的不同需求,TI可以提供四种不同类型的保护方案:

保护IC类型

型号

集成功能

二级保护芯片

BQ7718

过压检测

一级保护芯片

BQ77905

过压/欠压保护,放电过流/短路保护,过温/欠温保护

模拟前端

BQ76920

电压电流温度的测量,以及过压/欠压保护和放电过流/短路保护

电量计

BQ4050

电量计算,和电压电流温度的全面的保护

以下为重点方案的产品介绍:

1)    BQ4050

TI的电量计技术在精确测量电池容量、获取反映电池健康状况及安全诊断等数据的同时,还能够实现过压、过流、温度保护和电压均衡等功能。以上电池信息还能够通过SMBUS发送给主机,通过WIFI等方式连接到用户终端,方便用户及时了解扫地机器人的电池健康状况。

德州仪器 (TI) 的 BQ4050 器件采用补偿放电终止电压 (CEDV) 技术,是一款高度集成的高精度 1-4 节电池电量测量仪表和保护解决方案,可实现自主的充电器控制和电池均衡。

BQ4050关键参数说明:

  • 双路独立ADC,不仅可以同步电流和电压采样,还可以实现高精度库伦计数器功能使得输入偏移误差< 1µV (典型值)
  • 支持广泛可编程的电池和系统保护,比如过压保护、过流保护和过温保护等
  • 内部旁路的电池均衡功能(被动均衡)
  • 使用补偿放电终止电压(CEDV)算法来测量和计算电池单元中的可用容量,精度可达5%以内

 

 

以上便是BQ4050原理的基本特性介绍,更多细节请参阅BQ4050数据手册BQ4050技术参考手册

2)    BQ77905

锂电池在使用的过程中,一旦出现过压或者过流(短路)等问题,不仅会影响电池的寿命,更会带来安全问题。这意味着所有使用锂电池的设备,必须要加装电池保护器,以使锂电池能在一个相对安全的环境中正常工作。

TI提供的BQ77905是3-5 节超低功耗电压、电流、温度和开路可堆叠锂离子电池保护器,无需微控制器 (MCU) 控制即可实现一系列电压、电流和温度保护。该器件正好满足扫地机器人产品4S锂电池的需求,单芯片可实现过压,过流,短路,温度等保护。

BQ77905关键参数说明:

  • 电压(过/欠) 、电流(过放/短路)和温度保护(过/欠) 、超高精度测量(电压±10mV)
    • 保护阈值和延迟均为出厂编程设定,多种配置可供选用
    • 集成的独立 CHG 和 DSG 低侧 NMOSFET 驱动器实现电池组保护,这些驱动器可通过两个控制引脚禁用
    • 超低功耗:6µA

 

BQ77905还可以支持堆叠使用适应更多节数,更多细节请请参阅BQ77905数据手册 和更多BQ77905应用手册