4つのLiFePO4バッテリーを備えた外部バッテリーの開発

簡略図BQ40Z50-R1



外部バッテリー（パワーバンク）は、スマートフォンやその他のモバイル機器を充電するために積極的に使用されています。 このデバイスの構造は単純です。リチウムイオンまたはリチウムポリマー電池、制御回路基板、ハウジングです。 しかし、外部バッテリーと電気自動車の充電回路の開発はそれほど単純ではありません。ここで、新しいソリューションを実験して提案することができます。



1つのプロジェクトの枠組みの中で、ソーラーパネルを含む通常および急速充電をサポートする外部バッテリーを開発しました。 別の要件は、デバイスのサイズを最小化することです。 最初の段階では、マイクロコントローラーと充電マネージャーBQ40Z50-R1により、専用の充電マイクロ回路とPWMを使用せずに、4つの同一のLiFePO4バッテリーの通常の充電を実装しました。 充電に加えて、マイクロコントローラーはインジケーターLEDを美しく制御し、BLEを介してユーザーと対話します。 この開発フェーズの詳細を共有します。

問題の説明と解決策

充電器の場合、重要なパラメーターの1つは、特定の種類の化学物質を使用したバッテリーの使用です。 リン酸鉄リチウム電池LiFePO4には、他の種類よりもいくつかの利点がある（たとえば、大電流で充電できる可能性がある）ため、新しい充電器に選ばれたのは彼でした。



原則として、バッテリーの指定されたパラメーターは、容量と電圧の低い複数のバッテリーを使用して実現されます。 直列接続でバッテリーを使用する目的は、損失を減らして効率を上げることです。 通常、直列に接続された複数のバッテリーで構成されるシステムでは、個々のバッテリーの充電のバランスが崩れるという問題があります。 この問題は、バッテリーの充電バランスをとることにより解決されます。これは、バッテリー操作の安全性、バッテリー寿命、および全体的な耐用年数を向上させる設計方法です。



新しい充電器のコストと寸法を削減するために、テキサスインスツルメンツのBQ40Z50-R1チップを4つのLiFePO4バッテリーの「充電器」および「バランサー」として使用することが決定されました。このチップは「充電器」ではなく管理者であるという事実にもかかわらず（すなわち、 E.電圧、電流などのパラメーターを制御できますが、充電プロセスは制御できません。 BQ40Z50-R1チップの詳細については、 技術仕様とマニュアルを参照してください。



バッテリーオプション：

• 定格電圧3.2 V
• 最大許容電圧3.65 V
• 完全放電時の公称充電電流400 mA

BQ40Z50-R1チップをプログラムするために、専用のBattery Management Studio（ bqStudio ）ソフトウェアパッケージとEV2300インターフェイスボードを使用しました。これらはすべて、Texas Instrumentsの開発者向けのツールです。 bqStudioのタスクは、BQ40Z50-R1マネージャーの正しい設定を生成して、使用するバッテリーで「友達を作る」ことです。

回路

既に述べたように、BQ40Z50-R1チップは充電マネージャーであり、バッテリーの充電/放電パラメーターを制御し、電流パラメーター（温度、充電/放電電流など）に応じてさまざまなバッテリー充電/放電アルゴリズムを構成します。 。



チップの開発者は、アクティブ充電モードと、バッテリーが完全に放電したときに使用される電流制限（プリチャージ）のモードの可能性を提供しました。 デバイスの回路は変更されません（ 仕様を参照）。 プリチャージ回路で電流制限抵抗を再カウントするだけです。 私たちの場合、選択したLiFePO4バッテリーを充電するには、約400 mAの充電電流が必要でした。

BQ40Z50-R1チップの構成

BQ40Z50-R1は、 bqStudioソフトウェアパッケージを使用して構成されます。 設定されたパラメーターを記録し、マイクロ回路と通信するには、SMBからUSBへのコンバーターを使用します。





EV2300プログラマー



接続自体については説明しません。 技術仕様とリファレンスで詳細に説明されています。 その結果、スクリーンショットに示すように、プログラムが起動するはずです。





Battery Management Studio（bqStudio）のインターフェース



BQ40Z50-R1のセットアップ手順について説明しましょう。



1.バッテリーケミストリー用の同様のプロファイルの選択（化学プログラミング）



プログラムをインストールすると、パッケージにはChem.iniファイルが含まれます。このファイルには、化学組成、容量、セル数、その他の基準が異なる1,000種類を超えるバッテリーが記述されています。 テキサス・インスツルメンツは、さまざまなメーカーのバッテリーの化学パラメーターのリストを常に更新しています。 ただし、必要なバッテリーがリストにない場合は関係ありません。化学パラメータは手動で設定できます。 充電器が正しく機能するには、開発に最適なバッテリープロファイルを選択し、「データベースから化学を更新」ボタンをクリックする必要があります。





化学プロファイル選択用のBqStudioウィンドウインターフェイス



2.キャリブレーション



まず、bqStudioに現在の状況を通知します。そのためには、実際の値を測定する必要があります。

• バッテリー電圧;
• 最初のセルの電圧;
• 入力電圧;
• 現在;
• 温度。

測定されたパラメータをプログラムに入力し、「調整」ボタンを押します。



3.設定



次に、必要な機能を接続します。

• 保護の有効化/無効化（ Protection ）;
• サーミスタ（ 温度イネーブル/モード ）;
• バッテリーの充電、放電を決定するモード（ SOC Flag Config ）：電圧または容量。
• バランシングの組み込み（ バランシング構成 ）;
• ワンタイム保護（ ヒューズ ）を有効/無効にします。
• 自己修復保護を有効/無効にします（ 保護 ）。
• 電源投入（ 製造 ）後に自動的にオンになります-一方、ビットFET_EN = 1およびGAUGE_EN = 1を設定する必要があります。

4.高度な充電アルゴリズム



この動作モードはBQチップに統合されています。 外部マイクロコントローラがオンになり、このモードを使用して、充電電流、電圧、その他の充電パラメータを制御できます。 BQ40Z50-R1超小型回路は、バッテリーに必要な充電パラメーターのすべての測定、分析、計算を実行し、SMBusバス経由で推奨事項をマイクロコントローラーに送信します。 BQは、スイッチングモードと充電および保護電流の外部キーも制御できます。 このモードを正しく使用するには、電流、さまざまな温度範囲の電圧、充電終了の兆候、バランス調整など、多くの設定を実行する必要があります。



このモードを正しく動作させるには、制御プログラムウィンドウで次のフィールドを設定します。

• 充電モードが切り替わる温度 （ 温度範囲 ）
• 上記の温度範囲の充電電流と電圧（ 低/標準/高/記録温度充電 ）
• 事前充電電流
• メンテナンス充電電流-自己放電を補うため
• 電圧範囲 、次のフラグが設定された後、充電ステータスレジスタでマイクロコントローラーに表示されます。
  
  -PV-プリチャージモード
  
  -LV-低電圧
  
  -MV-平均
  
  -HV-高

この場合、 データメモリ設定のプリチャージ開始電圧 [2,14.4.8.1]パラメーターを2300 mVに変更する必要がありました。 3500 mVで充電電圧が低い [2,14.4.8.2]。 3555 mVでの充電電圧Med [2,14.4.8.1]。 3600 mVで充電電圧が高い [2,14.4.8.1]。 デフォルトでは、BQ40Z50-R1にはすでに充電/放電モードの自動制御があるため、Write_Allを押してチップのパラメーターを書き込むだけで済みました。 記録が終了すると、ステータスバーに[成功]と表示されます。





bqStudioソフトウェアパッケージのデータメモリメニュー



5.保護



セキュリティ設定がないと、次のことができません。

• 現在の保護用にPCHGCレジスタを設定します。この時点での電流が設定されたしきい値を超えた場合、指定された時間だけプリチャージがオフになります。
• 低電圧および過電圧に対する保護をインストールします（バッテリーの説明から）。
• 残りのパラメーターはデフォルトで残されています。

6.電荷の測定（ガスゲージ）



ガスゲージは、現在のバッテリー容量と、完全に充電または放電されるまでの残り時間を計算するためのBQ40Z50-R1チップの特別な機能です。



このモードが機能するために、多くの設定から最も重要なものを構成します。

• 設計 -バッテリー容量と電圧の予測値
• FD-完全放電の電圧レベルまたは容量
• TD-放電を無効にするための電圧または容量レベル
• FC-電圧レベルまたはフル充電容量
• TC-充電をオフにする電圧または静電容量レベル

このモードの多くのパラメーターは、バッテリーデータベースから取得されます。 必要なバッテリーがデータベースにない場合は、同様のバッテリーを選択して、BQ40Z50-R1の完全なトレーニングサイクルを実行できます。



バッテリー容量を計算するための学習プロセス：

1. バッテリーを完全に放電し、約5時間待ちます。
2. Enable and Resetコマンドを送信します。 （ データメモリ/ガスゲージ/状態/更新ステータス ）。 LStatusレジスタでは、ステータスを0x04に更新する必要があります。
3. ChargeStatusレジスタのFC（フル充電）ステータスビットが「1」に変わるまで、バッテリーを充電します。 その後、約2時間待ちます。 LStatusは0x05に変わるはずです。 もちろん、バッテリーの製造元が推奨する方法を使用してバッテリーを充電する必要があります。
4. C / 10に放電し、約5時間待機します（ LStatusは0x06に変更する必要があります ）。
5. それだけです トレーニングサイクルが完了しました。

トレーニングサイクルの後、BQ40Z50-R1はQmaxおよびその他のセルの値を調整し、充電時にバランス機能が動作するようにします。

結論

その結果、バッテリーを充電するプリチャージモードの「充電器」ができます。 バッテリーが完全に放電すると、充電電流は実際には約400 mAになりますが、時間とともに電流は予想どおりに低下し、充電が終了する（定格電圧に達する）までに約50 mAになります。



この場合の合計充電時間は5〜6時間です。 充電終了時のバッテリーの容量は、公称の80〜90％です。 複数のバッテリーを急速に充電する必要がない場合は、充電チップのコストを最小化し、ボード上のスペースを削減する必要があります。これがオプションです。