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鋰電池的開關(guān)電源式智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-10-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/178488.htm

  具有體積小、比能量大、壽命長(zhǎng)、放電性能好等特點(diǎn)。短短幾年時(shí)間里,已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、便攜式DVD及VCD等設(shè)備上,并且隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,還有進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢(shì)。具有這么多的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)它的制造成本卻相對(duì)低廉,因此是未來最有前途的便攜性電池。

  對(duì)于便攜性電池,人們希望在獲得大容量電能的同時(shí),能夠盡量減輕系統(tǒng)的重量,增加電池的效率和壽命。另外由于便攜式設(shè)備的散熱條件一般比較差,所以對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的效率也提出了較高的要求。

  最大的特點(diǎn)是效率高。利用,可以很有效的減少大容量電池充電系統(tǒng)的功率損耗,從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文詳細(xì)分析了一種基于開關(guān)模式電源的鋰離子/鋰聚合物。

  1 的結(jié)構(gòu)

  本文中,我們使用目前應(yīng)用最為廣泛的恒流恒壓充電方式,通過使用開關(guān)模式的電源來提供電池充電所需要的電壓和電流,并且應(yīng)用單片機(jī)和一系列周邊電路來實(shí)現(xiàn)充放電的控制和對(duì)電池的保護(hù)功能。

  利用單片機(jī)和相結(jié)合,我們就可以構(gòu)造出一個(gè)化的鋰離子/鋰聚合物電池智能:開關(guān)電源主功率回路負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化成電池充電所需要的形式,同時(shí)應(yīng)盡量提高效率,減小電壓電流紋波;單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,包括充電機(jī)參考電壓電流值的給定,充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)的關(guān)閉,根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的一系列保護(hù)功能。

  整個(gè)智能管理系統(tǒng)分為兩大部分:充電機(jī)和電池組。充電機(jī)主要包括了主功率回路和一部分的電源控制電路;而電池組部分則包括電池、檢測(cè)電路和單片機(jī)控制電路。這兩部分通過接口互相連接,能量從充電機(jī)傳往電池組,而控制信號(hào)一部分控制電池組的充放電回路的開通與關(guān)斷,另一部分則從電池組發(fā)送到充電機(jī),控制充電機(jī)的啟動(dòng)關(guān)閉和輸出恒壓恒流值。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的框圖。

  圖1充電機(jī)部分中,功率回路即為開關(guān)電源,它負(fù)責(zé)給電池進(jìn)行充電,電源控制芯片接受從單片機(jī)傳來的恒壓恒流參考等控制信號(hào),結(jié)合功率回路輸出的電壓電流反饋,實(shí)現(xiàn)電路在不同要求下的正確輸出。電池組部分中,單片機(jī)通過電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)等電路,實(shí)時(shí)地了解電池所處的狀態(tài),確定電池是否需要充電,充電方式為恒流還是恒壓,何時(shí)應(yīng)該結(jié)束充電過程,電池是否有過溫現(xiàn)象的發(fā)生等等。另外,單片機(jī)還必須檢測(cè)異常情況下,電池的過壓、過流以及溫度過高等現(xiàn)象,及時(shí)采取保護(hù)措施,同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及顯示報(bào)警原因。外部控制可以預(yù)置恒壓恒流參考值,也可以對(duì)充放電過程進(jìn)行人工干預(yù)。

  2 電路

  電路的包括充電機(jī)和電池組兩大部分。

  1)充電機(jī)的設(shè)計(jì)

  本文設(shè)計(jì)一個(gè)工頻輸入,能夠?qū)崿F(xiàn)恒流恒壓輸出的AC/DC開關(guān)電源。充電機(jī)的具體指標(biāo)要求如下:輸入電壓:130~265Vac;輸出電壓Uo變化范圍:0~30Vdc;輸出恒流Io變化范圍:0~10A;輸出電壓紋波△Uppm:100mV。

  根據(jù)上述的充電機(jī)指標(biāo),開關(guān)電源的最大輸出功率達(dá)到了POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W,假設(shè)電路效率η=80%,最大輸入功率為


由于功率較大,我們采用PFC+DC/DC的兩級(jí)模式,以增大電源功率因數(shù),減小對(duì)電網(wǎng)的不良影響。

  PFC部分采用應(yīng)用最為普遍的Boost電路結(jié)合CCM平均電流模式來實(shí)現(xiàn)PFC效果。Boost,PFC的基本電路和波形如圖2和圖3所示:

  由圖可見,電感電流的平均值基本跟隨正弦輸入電壓變化,從而使整個(gè)電路具有良好的PF效果,較小的THD含量,減小了變流器對(duì)電網(wǎng)的不良影響。

  由于電路的最大輸出功率POMAX=300W,DC/DC部分的設(shè)計(jì)選擇功率容量較大、控制相對(duì)簡(jiǎn)單的雙管正激拓?fù)?圖4)。該拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)二極管來復(fù)位激磁電流,同時(shí)兩個(gè)MOSFET兩端的電壓也被箝位在輸入電壓,因此我們可以選擇耐壓相對(duì)較低,導(dǎo)通電阻相對(duì)較小的開關(guān)管,有效的降低了電路的導(dǎo)通損耗。但是由于激磁電流必須在新開關(guān)周期開始之前降為零,所以電路的占空比必須限制在0.5以下,從而使激磁能量在一個(gè)周期結(jié)束之前完全回饋到輸入端,避免了可能出現(xiàn)的變壓器偏磁甚至飽和現(xiàn)象。


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