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4.2V，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0.1A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1V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18V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

4反饋回路的設(shè)計(jì)

恒壓型式的反饋回路采用如圖4所示的由運(yùn)放和光耦構(gòu)成的形式。當(dāng)輸出U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1③腳電壓升高，當(dāng)其超過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842①腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0降低。當(dāng)輸出U0降低時(shí)，U1③腳電壓降低，當(dāng)其低過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出低電平，Q1不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。

恒流型式與上圖類似，通過繼電器切換運(yùn)放③腳至電流反饋即可。

圖4反饋回路原理圖

5上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

鋰電池充電軟件主要由兩個(gè)獨(dú)立的軟件組成，即充電控制和充電數(shù)據(jù)處理分析軟件。充電控制軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池充電過程的全程監(jiān)測(cè)控制，并生成電池充電數(shù)據(jù)文件和記錄充電數(shù)據(jù);充電數(shù)據(jù)處理分析軟件主要實(shí)現(xiàn)充電數(shù)據(jù)的可視化顯示、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析的功能，同時(shí)根據(jù)用戶要求提供電池配組的功能[5]。

兩個(gè)主要系統(tǒng)軟件即充電控制和充電數(shù)據(jù)處理分析軟件由各自的功能模塊組成。其中，充電控制軟件包括充電過程編制、安全保護(hù)、過程事件日志、掉電保護(hù)恢復(fù)和數(shù)據(jù)備份管理等功能模塊，而充電數(shù)據(jù)處理分析軟件包括數(shù)據(jù)處理、圖形處理、動(dòng)態(tài)曲線、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和電池配組等功能模塊。

充電過程編制即通道自動(dòng)充電過程編制，它是通道充電中最核心的部分。充電過程可由很多工作步驟組成，在每個(gè)工作步驟中可以定義不同的工作模式及工作參數(shù)，如恒流充電、恒壓充電等等。當(dāng)然，充電步驟中還包括結(jié)束條件等參數(shù)。

安全保護(hù)是基于安全需要而采取的保護(hù)措施。對(duì)一個(gè)合理的、正常的充電過程，這些保護(hù)措施通常是沒有發(fā)揮作用的;但由于充電過程多數(shù)需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，這期間可能發(fā)生一些不可預(yù)期的事情(例如停電等)，而且，用戶也可能因?yàn)橐粫r(shí)疏忽等原因設(shè)置了不合理主參數(shù)(例如結(jié)束條件不合理)，甚至于被測(cè)電池本身就有問題。

因此設(shè)置安全保護(hù)參數(shù)是必需的。充電中，一旦“安全保護(hù)”條件滿足，充電將被安全停止。用戶在排除異常因素后，仍然可以使用“續(xù)接啟動(dòng)”功能恢復(fù)充電。

在電池充電過程中，任何時(shí)候出現(xiàn)供電系統(tǒng)停電或掉電，本充電系統(tǒng)均能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不丟失，重新上電后，充電系統(tǒng)具備自恢復(fù)功能，能從上次掉電的地方無縫接續(xù)，繼續(xù)充電過程。

數(shù)據(jù)處理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)數(shù)據(jù)的各種查看操作：包括數(shù)據(jù)條目的顯示/隱藏、設(shè)置顯示循環(huán)范圍、各循環(huán)的折疊與展開、各過程的折疊與展開等操作;

2)數(shù)據(jù)復(fù)制至WINDOWS剪切板：主要用于將已經(jīng)打開的某個(gè)數(shù)據(jù)文件的指定數(shù)據(jù)條目導(dǎo)出至EXCEL或WORD等工具軟件中，或作為文本格式(。TXT)存盤;

3)查看工作信息：查看充電數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的通道信息以及設(shè)置的充電過程等信息;

4)查看充電事件：查看通道充電期間發(fā)生的意外事件(如掉電、安全停止等)或用戶的強(qiáng)制操作等(如強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)、用戶停止);

5)數(shù)據(jù)打印和打印預(yù)覽：通過打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

6實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D1連接線路并接上電源，對(duì)1#電源和2#電源進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。首先啟動(dòng)管理系統(tǒng)，并啟動(dòng)充放電裝置，同時(shí)通過上位機(jī)發(fā)送充電指令。試驗(yàn)人員記錄充電實(shí)測(cè)電流(壓)。表1是1#電源和2#電源試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。

表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

7結(jié)語

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，充放電裝置已達(dá)預(yù)計(jì)指標(biāo)，電池管理系統(tǒng)工作正常，能達(dá)到既定的功能要求。

本文智能化鋰電池充電系統(tǒng)安全、可靠、抗干擾性強(qiáng)、有良好的人機(jī)交互功能;充放電裝置恒壓恒流精度高，工作可靠，自動(dòng)化功能完善，并配置計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件一套，使得本套系統(tǒng)具有高精度和完善的人機(jī)交互功能，操作人員只需要在計(jì)算機(jī)上發(fā)出指令就可以完成全部操作。