基于MCU的鋰離子電池有效管理解決方案

鋰離子電池具有體積小、重量輕、容量高、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子領(lǐng)域及其他場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。采用電池管理器對(duì)鋰離子電池的充放電進(jìn)行有效管理，可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。目前，鋰離子電池充電器方案主要有采用專(zhuān)用芯片控制構(gòu)成和采用MCU(單片機(jī))控制降壓型(Buck)變換器兩種方案。專(zhuān)用芯片控制方案構(gòu)成簡(jiǎn)單但功能單一，通常只能對(duì)特定參數(shù)的鋰離子電池進(jìn)行充電。但是，不同型號(hào)的便攜式產(chǎn)品往往使用不同型號(hào)規(guī)格的鋰離子電池，如果采用專(zhuān)用芯片，就會(huì)造成重復(fù)開(kāi)發(fā)和資源浪費(fèi)。而采用單片機(jī)控制。Buck電路則精度高，成本低，而且控制方法靈活，可方便地進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，從而適用于不同型號(hào)的鋰離子電池。

本文在介紹鋰離子電池充放電特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種安全高效的電池管理器。采用單片機(jī)控制Buck變換器對(duì)電池進(jìn)行充電控制，同時(shí)，增加外部電路在電池充放電過(guò)程對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的有效管理。

1鋰離子電池充放電特性

鋰離子電池的正極材料為L(zhǎng)iCoO2，負(fù)極材料為石墨晶體，這兩種材料都具有層狀結(jié)構(gòu)，允許鋰離子進(jìn)出。鋰離子電池在充電時(shí)發(fā)生如下主要化學(xué)反應(yīng)：
正極：

負(fù)極：

以上反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，電池在放電時(shí)發(fā)生逆反應(yīng)。在一定的條件下，電池內(nèi)部還會(huì)發(fā)生一些副反應(yīng)，在極端情況下，這些副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池電解質(zhì)燃燒或爆炸。因此，鋰離子電池的安全性能一直都倍受人們的關(guān)注。但是，目前關(guān)于鋰離子電池中電解質(zhì)燃燒或爆炸的過(guò)程認(rèn)識(shí)還不很統(tǒng)一?？赡茉斐呻姵刂?、爆炸的反應(yīng)主要有：

a)Li+在正、負(fù)極嵌入后形成的Li1一xCoO2受熱會(huì)放出氧氣，而Lixc6遇氧氣就會(huì)燃燒，產(chǎn)生大量的熱。

b)在多次充放電后，石墨負(fù)極的表面往往會(huì)形成一層SEI膜，阻止電解液與石墨負(fù)極之間相互作用。但當(dāng)溫度升高時(shí)，sEI膜會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，引起電解質(zhì)與負(fù)極表面發(fā)生不可逆反應(yīng)，導(dǎo)致不可逆容量形成并產(chǎn)生熱量，使溫度進(jìn)一步上升。

c)溫度升高時(shí)，溶劑與電解質(zhì)也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，放出熱量。

由此可見(jiàn)，鋰離子電池的安全性能和電池容量與溫度密切相關(guān)，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部將發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致不可逆容量形成并產(chǎn)生大量熱量。如果電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電池散熱量，就會(huì)使電池溫度達(dá)到著火點(diǎn)，引起電池燃燒或爆炸。正是由于鋰離子電池的這些內(nèi)部特性，使它的充放電速率都受到了限制，它無(wú)法像鎳鎘電池那樣，在短時(shí)間內(nèi)急速充電，也無(wú)法大電流放電，否則，鋰離子電池的容量、壽命將會(huì)減少，甚至引發(fā)電池爆炸或燃燒。 兼顧充電過(guò)程的安全性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式。充電初期，先用1 c恒定速率充電，電池電壓逐漸上升。當(dāng)單體電池電壓上升到4．1 V(或4．2 V)時(shí)，充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電方式，單體電池電壓波動(dòng)控制在50 mV內(nèi)，此時(shí)充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一設(shè)定值時(shí)，即可認(rèn)為電池充電滿。圖1為鋰離子電池的充電特性曲線示意圖。為了保證鋰離子電池的放電容量，通常要求它的最大放電速率為1 c。

在使用鋰離子電池時(shí)，電池的過(guò)充與過(guò)放也是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。鋰離子電池過(guò)充時(shí)，過(guò)量的Li+沒(méi)有負(fù)極材料可供嵌入，那部分Li+就會(huì)在負(fù)極表面還原為金屬鋰析出，從而帶來(lái)短路的危險(xiǎn)，而且，引起正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化和電解液分解，產(chǎn)生大量氣體，放出大量熱量，使電池溫度和內(nèi)壓增加，存在爆炸、燃燒等隱患。鋰離子電池過(guò)放電時(shí)，負(fù)極及其表面的SEI膜中的Li+可能全部脫出，SEI膜被破壞。當(dāng)電池再次充放電循環(huán)時(shí)，重新形成SEI膜穩(wěn)定性和致密性可能變差，需要的Li+量較大，由此造成放容量和充放電效率降低。因此，在鋰離子電池充放電時(shí)，通常都要求單體電池電壓不得高于4．5 V或低于2．2 V。
2鋰離子電池管理器方案設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化電池的充電要求，管理器與電池同置于電池包外殼內(nèi)。充電時(shí)，可用AC適配器通過(guò)管理器的輸入端口對(duì)電池充電，放電時(shí)，電池通過(guò)管理器輸出端口放電。

下面以兩節(jié)2 000 mA·h鋰離子電池為例設(shè)計(jì)一種Buck型電池管理器。主要接口參數(shù)如下：輸入電壓為9 V，恒流充電電流為(2±0．1)A，充電截止電壓為(8．35±0．05)V，單體電池放電截止電壓為2．3 V。

2．1主電路設(shè)計(jì)

管理器主要由功率電路、控制電路和保護(hù)電路3部分組成。電池管理器的主電路和控制框圖如圖2所示。L1、C1、D2、Q1等構(gòu)成Buck電路。R1、R2串聯(lián)后并于電池兩端，提供采樣電壓。R3串于充電回路中，提供采樣電流。Q2構(gòu)成電池放電回路?？刂齐娐酚? V電源、Mcu控制、Q1驅(qū)動(dòng)電路組成。MCU用于監(jiān)控電池的充電過(guò)程，使電池安全高效地充電。根據(jù)單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)范圍及PwM精度綜合考慮選擇開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。

2．1．1 電路的工作原理

當(dāng)Ac適配器接通電源R寸，Q2關(guān)斷，電池不參與供電，輸入電源通過(guò)Dl向負(fù)載供電。同時(shí)5 V電源工作，Mcu產(chǎn)生PwM信號(hào)，使能Q1驅(qū)動(dòng)電路，輸入電源通過(guò)Buck電路給電池充電。當(dāng)AC適配器與電源斷開(kāi)時(shí)，5 V電源被切斷，此時(shí)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通，電池通過(guò)Q2給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)低壓降放電。

2．1．2 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)原則和選取

當(dāng)充電電流下降至c／lO時(shí)，即認(rèn)為電池充電滿。為了保證在整個(gè)充電過(guò)程中電池充電電流連續(xù)，那么，要求電感u的臨界連續(xù)電流不高于c／10，即0．2 A。另外，電池充電時(shí)，電池電壓波動(dòng)范圍必須限制為一0．05 V～+0．05 V，即要求電容c1的峰峰值紋波電壓低于O．1 V。由此可計(jì)算出所需的L1和cl值。

為了保證采樣精度和減小電路損耗，選擇R1=R2=150 kΩ。由于R3串于充電回路中，所以R3必須盡量小，否則，會(huì)使充電回路壓降變大，損耗增大，充電效率降低，且管理器發(fā)熱量大。這里選擇R3=0．02 Ω。

由于R3很小，所以通過(guò)R3采樣得到的電流信號(hào)也很小，為了減小采樣數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，必然要對(duì)電流采樣信號(hào)進(jìn)行放大。本文采用了一個(gè)比例放大電路對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)根據(jù)運(yùn)算放大器的最大正向輸出電壓和電池的充電電流大小來(lái)選擇。放大倍數(shù)太大，會(huì)使運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)，導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤，放大倍數(shù)太小，會(huì)增大采樣數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。

2．2軟件設(shè)計(jì)

2．2．1電壓、電流控制算法

為了實(shí)現(xiàn)恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電模式，本文采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，其控制框圖如圖3所示。

首先，電壓給定值與電壓采樣值相減，將得到的誤差量進(jìn)行PI運(yùn)算，電壓經(jīng)過(guò)PI處理后再經(jīng)過(guò)限幅處理得到電流基準(zhǔn)值，輸出至電流數(shù)字Pl調(diào)節(jié)器。然后，電流基準(zhǔn)值與電流采樣值相減，將得到的誤差量進(jìn)行PI運(yùn)算，電流經(jīng)過(guò)PI處理后再經(jīng)過(guò)限幅得到所需的占空比。MCu就是通過(guò)調(diào)節(jié)PwM信號(hào)的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電模式。

2．2．2充電過(guò)程控制

電池的充電過(guò)程大致分為預(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電和涓流充電4個(gè)階段。

開(kāi)始充電時(shí)，如果電池的電壓不在快充允許的范圍內(nèi)，在電池充電初期補(bǔ)插一個(gè)預(yù)充階段。預(yù)充階段電池以C／10恒定電流充電，直到電池的電壓上升到?jīng)]定的閾值后進(jìn)入快充階段。 當(dāng)電池電壓符合快充條件時(shí)，充電過(guò)程進(jìn)入快速充電階段?？焖俪潆婋A段采用恒流充電方式，以1 C恒定電流充電，直至單節(jié)電池電壓上升到4．1V(或4．2 V)。此時(shí)，電池應(yīng)轉(zhuǎn)入補(bǔ)足充電階段。

補(bǔ)足充電階段采用恒壓充電方式。在這一階段中，電池電壓不變，電流逐漸減小，當(dāng)電流小于C／10時(shí)，電池充電滿，進(jìn)入涓流充電階段。

充電控制和狀態(tài)切換在主程序中實(shí)現(xiàn)，充電計(jì)時(shí)和狀態(tài)顯示在定時(shí)器中斷程序中實(shí)現(xiàn)。圖4為主程序流程框圖。

2．3電池保護(hù)

串聯(lián)的各單體電池的容量有一定的差別，在充電過(guò)程中，若一個(gè)電池已經(jīng)充足電，另一個(gè)電池尚未充足，如果繼續(xù)對(duì)串聯(lián)電池組充電，已充足的那只電池就會(huì)過(guò)充電。在放電過(guò)程中，若一個(gè)電池已放完電，另一個(gè)電池尚有一定剩余電量，如果繼續(xù)放電，先放完電的那只電池將發(fā)生過(guò)放電?？梢?jiàn)，串聯(lián)電池組容易出現(xiàn)單體電池過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。

采用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池的電壓和放電電流的監(jiān)控，防止單體電池過(guò)充和過(guò)放，但是這要求單片機(jī)始終處于工作狀態(tài)，靜態(tài)功耗大，在電池放置不使用時(shí)，電池還需向單片機(jī)供能，這對(duì)電池組的輸出容量影響較大。本文采用鋰離子電池專(zhuān)用保護(hù)芯片S一8232，該電路可以實(shí)現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流保護(hù)，而且工作電流小，具有多種參數(shù)型號(hào)，可以滿足電池組不同保護(hù)參數(shù)需求。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)鋰離子電池管理器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該管理器可以有效防止單體電池過(guò)充電和過(guò)放電。圖5是根據(jù)電池充電過(guò)程得出的電池電壓、電流變化曲線。電池從放完電后開(kāi)始充電到充滿電大約需要4．5 h。預(yù)充時(shí)，管理器以C／10的恒定電流給電池充電，電池電壓逐漸升至6 V。然后充電電流迅速升至2 A并穩(wěn)定在2 A左右，此時(shí)，電池電壓不斷上升，當(dāng)電池電壓升至8．35 V時(shí)，充電電流開(kāi)始減小，但電池電壓始終穩(wěn)定在8．34 V～8．37 V之問(wèn)。當(dāng)充電流降至0．2 A左右時(shí)，指示燈顯示充電滿，管理器對(duì)電池進(jìn)行涓充，一段時(shí)間后，充電結(jié)束，此時(shí)，電池電壓略微有點(diǎn)下掉。

4結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹鋰離子電池充放電特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種Buck型電池管理器。該管理器采用單片機(jī)對(duì)電池的充電電壓和電流進(jìn)行控制，此外，還采用了專(zhuān)用芯片對(duì)單體電池電壓和放電電流進(jìn)行監(jiān)控，防止了單體電池過(guò)充和過(guò)放并限制了電池放電速率，保證了鋰離子電池充放電過(guò)程的安全高效，有利于延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。