智能化锂电池充电系统

摘要

本文主要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，釆用了电压均衡控制、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【1】。

关键词：智能化锂电池恒流恒压充电系统5148051.1

弓I 言

随着社会经济的迅速发展，移动电话、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品的普及，消费者对电池电能要求日渐提高；人们希望在获得大容量电能的同时，能够尽量减轻重量，提 高整个电源系统的使用效率和寿命。锂电池作为上世纪九十年代发展起来的一种新型电池12】，因具有能量密度高、性能稳定、安全可靠和循环寿命长等一系列的优点，很快在便携式电子设 备中获得广泛应用，更获得了广大消费者的青睐。由此可见，设计一套高精度锂电池充电管理 系统对于锂电池应用至关重要。

1锂电池充放电原理

锂电池主要由正极活性材料、易燃有机电解液和碳负极等组件构成〖3】。因此，锂电池的安 全性能主要是由这些组件间的化学反应所决定的。

根据锂电池的结构特性，锂电池的最高充电电压应低于4.2 04】，不能过充，否则会因正 极锂离子拿走太多，发生危险。其充放电要求较高，一般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状态，当恒压充电至0.1人以下时15】，应立即停止充电。

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16】，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。

150八

I

3 細

1181.1 电池信息骨

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电流采样2系统构成

利用单片机系统和开关电源相结合，我们就可以构造出一个智能化的锂离子、锂聚合物电 池智能管理系统。开关电源主功率回路负责将电能转化成电池充电所需要的形式，同时应尽量 提高效率，减小电压电流纹波17】。单片机系统负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压 电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池电压、充电电流、温度等各 种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。

本系统采用从0101~01368沙：908单片微处理器（简称純：!!）对4节串联的18650型锂电池进 行统一管理。该从匸!；具有12 X 闪速内存贮器，可在线擦写10万次。具有14路^7010位的信号采 集口，两路增益可编程运算放大器，具有5^181181.1接口和低功耗工作模式，可以方便实现多路 模拟信号的釆集和按51481181.丨协议实现数据通信功能，另外该系列乂^：!!在设计上具有完善的 电磁兼容防护措施，具有抗干扰能力强，可靠性高的特点，可广泛应用到电力电子、汽车控制、 及军工领域,可以实现对镍氢电池、镉镍电池、锂电池的智能控制，满足智能化电池的设计使 用需求18】。系统构成原理框图如图丨所示：

图1系统构成原理框图

2.1智能电池的功能

在本方案中，通过]^01；与电池组互连的方式使智能电池主要具有以下功能：

2.1.1供电功能

当智能电池与用电器对接时，将自动唤醒控制电池给用电器供电。另外也可与智能 化充电机、手摇发电机一起为用电器浮充供电。

2.1.2充电功能

通过智能充电器给智能电池充电，它们通过51^81X81.1总线互连进行信息交换。锂离子电 池充电一般分两个阶段，首先进行恒流充电，当电池电压达到一定值时改为恒压充电。因此 1^00要不断的监测电池组电压，实现对充电电压的控制。

2.1.3通信功能

电池与用电器、智能化充电机能够相互传送各自所需的固定信息、动态信息及告警信息。其中固定信息包括：电池厂商信息（生产厂家、生产日期、生产批号〉、电池的化学成份、额 定电压、额定容量、规范信息、名称等信息。动态信息包括：剩余容量、满充容量、电池模式、温度、温升、充电电压、充电电流、循环次数、剩余工作时间、电池状态等信息。

另外智能电池还具有剩余容量150显示、自动保护等功能。

3智能化控制电路的选择【91

控制电路不仅要完成电路保护，温度保护等功能，还要控制整个系统的正常运行包括充电时参考电压和参考电流的给定，整个充电过程的控制和结束充电过程的判断；放电电流的 监控，停止放电的条件判断等111】。目前电池实现智能化的途径有两种112】，一种是采用专用的集 成电路来实现；另一种则釆用集成了模拟模块的单片机来实现。专用集成电路的方案主要有以 下缺点：只针对一种电池和一类电池的特性，电气接口和制式不统一，有的专用集成电路已跟 不上电池技术的发展。综合考虑,本文采用单片机方案，通过使用开关模式的电源来提供电池 充电所需要的电压和电流，并且应用单片机和一系列周边电路来实现充放电的控制和对电池的 保护功能。

4单片机控制1131及保护系统的设计

在整个智能管理系统中，单片机起着非常重要的作用。它必须能够根据电压、电流采样, 判断电池目前所处的状态；针对不同的状态，决定允许哪些操作，禁止哪些操作，并通过液 晶显示告知用户；在电池状态不正常时，它也应该能够及时发现并且通过报警手段提醒操作 人员的注意。

图2为电池组部分及其控制电路的示意图。由于电池电压不可能完全放完，因此单片机通 过电池组的端压稳压后供电。电池为串联结构，在电池的最负端接一个阻值很小的电流釆样电 阻，由于电池组既可以充电也可以放电，因此电流采样电阻上的电压可正可负，需要有一个绝 对值114】放大电路来放大正负电压。

图2电池组电路示意图

4.1均衡保护电路的设计

锂离子电池充放电过程中需监测每节电池的电压。因为在同一电流充放电中串联的4节电 池的电压升降可能不会完全相同，这将会导致某一电池的过冲或过放，因此要增加电池均衡电 路，使4节串联的电池电压大小在一定误差范围内保持时刻一致。在本方案中，利用从的

1/0 口来控制运算放大器，使电压变化较快的电池通过三极管1151短暂充放电来完成。