智能鋰電池充電管理方案

1 引言

鋰離子電池是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一種新型二次電池。由于鋰離子電池具有能量密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此很快在便攜式電子設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用，也獲得了鋰電池生產(chǎn)商的青睞。

鋰離子電池主要由正極活性材料，易燃有機(jī)電解液和碳負(fù)極等構(gòu)成。因此，鋰離子電池的安全性主要是由這些組件間的化學(xué)反應(yīng)引起。

在使用中，根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)低于4.2 V，絕對(duì)不能過充，否則會(huì)因正極鋰離子拿走太多，產(chǎn)生危險(xiǎn)。其充放電要求較高，一般應(yīng)采用專門的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至設(shè)定值后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電至0.1 A 以下時(shí)，應(yīng)停止充電。

鋰電池的放電由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會(huì)縮短，因此在放電時(shí)需要嚴(yán)格控制放電終止電壓。

因此，設(shè)計(jì)一套高精度鋰離子充電管理系統(tǒng)對(duì)于鋰離子電池應(yīng)用是至關(guān)重要的。本文介紹的智能化鋰電池充電系統(tǒng)是專門為鋰電池設(shè)計(jì)的高端技術(shù)解決方案。該系統(tǒng)適用于鋰離子/鎳氫/鉛酸蓄電池單體及整組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、電池均衡、充放電電壓、溫度監(jiān)測(cè)等，采用了電壓均衡控制、超溫保護(hù)等智能化技術(shù)，是功能強(qiáng)大、技術(shù)指標(biāo)完善的動(dòng)力電池充電管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)主要由n 個(gè)(可擴(kuò)充)充電模塊和上位PC 機(jī)監(jiān)控軟件組成。支持充電過程編程，可按恒流充電、恒壓充電等多種工況進(jìn)行相應(yīng)組合設(shè)置工作步驟，除了具有硬件過壓過流保護(hù)，還允許用戶定義每個(gè)通道的過電壓、過電流等參數(shù)值，具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、通訊及分析功能，具有掉電保護(hù)功能，不丟失數(shù)據(jù)。另外還配置鋰電池管理系統(tǒng)，它主要由充電機(jī)、主控單元、數(shù)采單元和人機(jī)界面組成，硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 智能化鋰電池充電系統(tǒng)框圖

3 恒流恒壓源的設(shè)計(jì)

恒流恒壓源采用開關(guān)電源作為主要電路，它由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

開關(guān)電源的電路組成方框圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)電源電路組成方框圖

防雷單元采用壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生的高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源，壓敏電阻兩端電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上。

輸入濾波電路采用電感和電容組成的雙π 型濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。

功率變換電路采用目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 管，是利用半導(dǎo)體表面的聲電效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以可以大大提高輸入電阻。MOS 管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

主回路采用正激模式，控制芯片采用電流工作模式的UC3842，電路如圖3 所示。R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1 關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測(cè)得的電流峰值信號(hào)參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達(dá)到1 V 時(shí)，UC3842 停止工作，開關(guān)管Q1 立即關(guān)斷。 R1 和Q1 中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC 網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1 過小，易引起振蕩，電磁干擾也會(huì)很大;R1 過大，會(huì)降低開關(guān)管的開關(guān)速度。

Z1 通常將MOS 管的GS 電壓限制在18 V 以下，從而保護(hù)了MOS 管。 Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1 導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多;當(dāng)Q1 截止時(shí)，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC 根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4 和R6 為尖峰電壓吸收回路。T1 副邊為正激式整流回路。

圖3 恒流恒壓源主回路電路圖