关于电池模块方案的设计简述

　　1.概述

　　电池模块包括锂电池和电池管理单元，电池管理单元主要完成电池充放电管理、电量检测、温度监测、系统供电管理。

　　2.设计依据

　　蜂窝电话用锂离子电池总规范《GB/T182872000规范》

　　3.主要性能和技术指标

　　3.1电池性能指标

　　容量：6000～8000mAh

　　尺寸：50x150x8mm3(根据结构设计要求可微调)

　　工作温度：-20~55℃

　　存储温度：-25~65℃

　　充电温度：0~40℃

　　额定电压：3.8V

　　工作电压：3.5～4.2V

　　放电额定电流：5A

　　放电峰值电流：8A

　　放电要求：电压降至3.5V时，放电电量达到容量90%以上

　　3.2电池管理功能

　　监测电池温度

　　监测电池充电、放电状态

　　检测剩余电量

　　监测电池电压

　　输入过压过流保护

　　4模块方案设计

　　4.1模块组成

　　图1电池模块框图

　　电池模块包括锂电池、充电管理、电量监测三部分。

　　4.2方案设计

　　4.2.1锂电池

　　锂电池采用单体、可更换式设计，需要外壳包装，用户可自行从设备上拆卸、安装、更换锂电池。

　　电池接口采用3线触点式，包括电源+、电源－、温度检测点，接触点需镀金处理。

　　电池额定电压3.8V，工作电压范围为3.5~4.2V，容量6000~8000mAh，放电额定电流为5A，峰值电流达到8A。

　　电池具备温度传感功能，可集成负温度系数热敏电阻于电池内部，通过充电管理芯片实现电池内部温度监测。

　　4.2.2充电管理

　　充电管理芯片采用TI的BQ24193，集成开关模式电池充电管理和系统电源路径管理，支持宽范围输入源，包括标准USB主机接口、USB充电端口、高功率DC适配器。

　　在无需软件控制情况下完成一个充电周期，通过自动检测电池电压实现充电的三个阶段：预充电、恒流充电和恒压充电，当充电电流低于预设定值(10mA)时充电器自动终止。

　　BQ24193提供对电池充电和系统运行的多种安全特性，包括双组负温度系数热敏电阻监视、充电安全性定时器和过压/过流保护，并支持符合JEITA标准的温度曲线。

　　4.2.3电量检测

　　电量检测芯片采用TI的BQ27410，基于TI专利技术ImpedanceTrack的易配置电池电量监测，可提供剩余电池容量、充电状态(进度)、电池电压。

　　建模电池放电曲线可准确报告充电状态，可根据电池老化、电池自放电以及温度/速率的低速率进行自动调整。

　　4.3可靠性设计

　　锂电池严格遵守蜂窝电话用锂离子电池总规范《GB/T182872000》。

　　4.4环境适应性要求

　　?根据GSPSHUB的应用环境要求，锂电池的工作温度为-20~55℃，工作湿度为5%～95%非冷凝；存储温度-25~65℃。

　　5锂电池测试方法

　　5.1基本性能测试

　　5.1.1容量测试

　　以0.2CA恒流充电，当电池电压达到限制电压4.2V时，改为恒压充电，当电流小于0.01CA时，停止充电。静置10分钟，以1C恒流放电，当电池电压达到限制电压3.5V时，结束放电。通过放电时间来计算电池容量。

　　5.1.2寿命测试

　　静置10分钟，以0.4CA恒流充电，当电池电压达到限制电压4.2V时，改为恒压充电，当电流小于0.01CA时，停止充电。静置10分钟，以1C恒流放电，当电池电压达到限制电压3.5V时，结束放电。按此方法循环30次。

　　5.1.3内阻测试

　　使用1KHz的交流电压，使用内阻测试仪器测试内阻.

　　5.1.4荷电保持能力

　　环境温度（20±5）℃时，电池完全充满电后开路搁置30天。以0.2CA恒流放电，其放电时间应不少于4.5h。

　　5.2环境性能测试

　　5.2.1高温性能

　　已充满电的电源在温度为（65±2）℃条件下放置2h实验后，观察外观，并能进行正常的充放电。

　　5.2.2低温性能

　　已充满电的电池在温度为（-20±3）℃条件下放置24h实验后，观察外观，并能进行正常的充放电。

　　5.2.3恒定湿热性能

　　已充满电的电池在（40±2）℃，相对湿度为93%±2%条件下放置48h实验后，将电池取出在环境温度20℃±5℃条件下放置2h，外观良好，并能进行正常的充放电。

　　5.2.4振动试验

　　满充电电池将电池安装在振动台上，按下面的振动频率和对应的振幅调整好实验设备，X、Y、Z三个方向每个方向从10Hz—55Hz循环扫频振动30min，

　　振动频率：10—30Hz单振：0.38mm；

　　振动频率：30-55Hz单振幅：0.19mm；

　　震动结束后电池外观良好，电压大于3.6V。

　　5.2.5碰撞实验

　　振动结束正常的电池，将电池平均按X、Y、Z三个相互垂直轴向直接或者通过夹具固定在在台面上，按下面的要求调节好加速度、脉冲时间，进行碰撞实验。

　　脉冲峰值加速度：100m/s2

　　每分钟碰撞次数：40—80

　　脉冲持续时间：16ms

　　碰撞次数：1000±10

　　电池外观良好，电池电压大于3.6V。

　　5.2.6自由跌落试验

　　电池在碰撞实验结束后，将电池样品由高度1米的位置自由跌落在置于水泥地面上的18mm—20mm的厚的硬木板上，从X、Y、Z正负方向自由跌落一次。

　　自由跌落实验结束后，将电池以1C电流放电到终止电压。然后按1C充电循环三次，其中至少一次放电时间超过51分钟。

　　5.3安全保护性能

　　5.3.1过充电保护

　　满充电电池，用恒流恒压源持续给电池加载8h，恒流恒压源电压为8V，电流为2C的外接电流，电池外观良好，不爆炸，不起火，不冒烟，不漏夜。

　　5.3.2过放电防护

　　电池在以0.2C放电至终止电压后，外接30W负载放电24h，电池外观良好，不爆炸，不起火，不冒烟，不漏夜。

　　5.3.3短路保护

　　满充电电池，将正负极接上0.05W短路1个小时，电池外观良好，不爆炸，不起火，不冒烟，不漏液。将电池正负极断开，以1C电流对电池充电5s，测量电池的电压，电池电压大于3.9V。

　　注：以上测试尽量在有安全措施的情况下进行。

　　5.4安全性测试

　　5.4.1重物冲击

　　电池放置于冲击台上，将10kg重锤自1m高度自由落下，冲击已固定在夹具中的电池（电池的面积最大的面应于台面垂直），冲击过后，电池允许发生变形，但应不起火、不爆炸。

　　5.4.2热冲击

　　电池放置于热箱中，温度以（5℃±2℃）/min的速率升至150℃±2℃，保持30min，电池应不起火、不爆炸。

　　5.4.3存储

　　进行储存试验的电池应选自生产日期到试验日期不足3个月的电池，电池储存前应按1C充电的制式给电池充入40%-50%的容量，然后在环境温度，相对湿度45%-85%的环境中储存。储存期12月后，电池按1C进行充电后，进行0.2C放电时间应大于4h。