智能锂电池充电管理方案

1 引言

锂离子电池是上世纪九十年代发展起来的一种新型二次电池。由于锂离子电池具有能量密度高和循环寿命长等一系列的优点，因此很快在便携式电子设备中获得广泛应用，也获得了锂电池生产商的青睐。

锂离子电池主要由正极活性材料，易燃有机电解液和碳负极等构成。因此，锂离子电池的安全性主要是由这些组件间的化学反应引起。

在使用中，根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应低于4.2 V，绝对不能过充，否则会因正极锂离子拿走太多，产生危险。其充放电要求较高，一般应采用专门的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至设定值后转入恒压充电，当恒压充电至0.1 A 以下时，应停止充电。

锂电池的放电由于内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命会缩短，因此在放电时需要严格控制放电终止电压。

因此，设计一套高精度锂离子充电管理系统对于锂离子电池应用是至关重要的。本文介绍的智能化锂电池充电系统是专门为锂电池设计的高端技术解决方案。该系统适用于锂离子/镍氢/铅酸蓄电池单体及整组进行实时监控、电池均衡、充放电电压、温度监测等，采用了电压均衡控制、超温保护等智能化技术，是功能强大、技术指标完善的动力电池充电管理系统。

2 系统构成与设计

充电系统主要由n 个(可扩充)充电模块和上位PC 机监控软件组成。支持充电过程编程，可按恒流充电、恒压充电等多种工况进行相应组合设置工作步骤，除了具有硬件过压过流保护，还允许用户定义每个通道的过电压、过电流等参数值，具备数据采集、存储、通讯及分析功能，具有掉电保护功能，不丢失数据。另外还配置锂电池管理系统，它主要由充电机、主控单元、数采单元和人机界面组成，硬件组成框图如图1 所示。

图1 智能化锂电池充电系统框图

3 恒流恒压源的设计

恒流恒压源采用开关电源作为主要电路，它由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

开关电源的电路组成方框图如图2 所示。

图2 开关电源电路组成方框图

防雷单元采用压敏电阻进行保护，当有雷击，产生的高压经电网导入电源，压敏电阻两端电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上。

输入滤波电路采用电感和电容组成的双π 型滤波网络，对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。

功率变换电路采用目前应用最广泛的绝缘栅极场效应管MOSFET 管，是利用半导体表面的声电效应进行工作的。由于它的栅极处于不导电状态，所以可以大大提高输入电阻。MOS 管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

主回路采用正激模式，控制芯片采用电流工作模式的UC3842，电路如图3 所示。R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI 减少，不发生二次击穿。在开关管Q1 关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1 V 时，UC3842 停止工作，开关管Q1 立即关断。 R1 和Q1 中的结电容CGS、CGD一起组成RC 网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1 过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大;R1 过大，会降低开关管的开关速度。

Z1 通常将MOS 管的GS 电压限制在18 V 以下，从而保护了MOS 管。 Q1 的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1 导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多;当Q1 截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3 释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC 根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。C4 和R6 为尖峰电压吸收回路。T1 副边为正激式整流回路。

图3 恒流恒压源主回路电路图

4 反馈回路的设计

恒压型式的反馈回路采用如图4 所示的由运放和光耦构成的形式。当输出U0 升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1 分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1 导通，光耦OT1 发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0 降低。当输出U0 降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1 不导通，光耦OT1发光二极管不发光， 光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0 降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1 可改变输出电压值。

恒流型式与上图类似，通过继电器切换运放③脚至电流反馈即可。

图4 反馈回路原理图

5 上位机软件设计

锂电池充电软件主要由两个独立的软件组成，即充电控制和充电数据处理分析软件。充电控制软件主要负责对锂电池充电过程的全程监测控制，并生成电池充电数据文件和记录充电数据;充电数据处理分析软件主要实现充电数据的可视化显示、数据处理及数据分析的功能，同时根据用户要求提供电池配组的功能[5]。

两个主要系统软件即充电控制和充电数据处理分析软件由各自的功能模块组成。其中，充电控制软件包括充电过程编制、安全保护、过程事件日志、掉电保护恢复和数据备份管理等功能模块，而充电数据处理分析软件包括数据处理、图形处理、动态曲线、数据导出和电池配组等功能模块。

充电过程编制即通道自动充电过程编制，它是通道充电中最核心的部分。充电过程可由很多工作步骤组成，在每个工作步骤中可以定义不同的工作模式及工作参数，如恒流充电、恒压充电等等。当然，充电步骤中还包括结束条件等参数。

安全保护是基于安全需要而采取的保护措施。对一个合理的、正常的充电过程，这些保护措施通常是没有发挥作用的;但由于充电过程多数需要经历较长时间，这期间可能发生一些不可预期的事情(例如停电等)，而且，用户也可能因为一时疏忽等原因设置了不合理主参数(例如结束条件不合理)，甚至于被测电池本身就有问题。

因此设置安全保护参数是必需的。充电中，一旦“安全保护”条件满足，充电将被安全停止。用户在排除异常因素后，仍然可以使用“续接启动”功能恢复充电。

在电池充电过程中，任何时候出现供电系统停电或掉电，本充电系统均能对现场数据进行保护，保证现场数据不丢失，重新上电后，充电系统具备自恢复功能，能从上次掉电的地方无缝接续，继续充电过程。

数据处理功能模块主要实现以下功能：

1) 数据的各种查看操作：包括数据条目的显示/隐藏、设置显示循环范围、各循环的折叠与展开、各过程的折叠与展开等操作;

2)数据复制至WINDOWS 剪切板：主要用于将已经打开的某个数据文件的指定数据条目导出至EXCEL 或WORD 等工具软件中，或作为文本格式(。TXT)存盘;

3) 查看工作信息：查看充电数据对应的通道信息以及设置的充电过程等信息;

4) 查看充电事件：查看通道充电期间发生的意外事件(如掉电、安全停止等)或用户的强制操作等(如强制跳转、用户停止);

5) 数据打印和打印预览：通过打印机输出数据。

6 实验

按照图1连接线路并接上电源，对1#电源和2#电源进行系统实验。首先启动管理系统，并启动充放电装置，同时通过上位机发送充电指令。试验人员记录充电实测电流(压)。表1是1#电源和2#电源试验数据记录表格。

表1 试验数据记录

7 结语

通过试验验证，充放电装置已达预计指标，电池管理系统工作正常，能达到既定的功能要求。

本文智能化锂电池充电系统安全、可靠、抗干扰性强、有良好的人机交互功能;充放电装置恒压恒流精度高，工作可靠，自动化功能完善，并配置计算机运行软件一套，使得本套系统具有高精度和完善的人机交互功能，操作人员只需要在计算机上发出指令就可以完成全部操作。