智能鋰電池充電管理方案

1 引言

鋰離子電池是上世紀九十年代發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壽命長等一系列的優點，因此很快在便攜式電子設備中獲得廣泛應用，也獲得了鋰電池生產商的青睞。

鋰離子電池主要由正極活性材料，易燃有機電解液和碳負極等構成。因此，鋰離子電池的安全性主要是由這些組件間的化學反應引起。

在使用中，根據鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應低于4.2 V，絕對不能過充，否則會因正極鋰離子拿走太多，產生危險。其充放電要求較高，一般應采用專門的恒流、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至設定值后轉入恒壓充電，當恒壓充電至0.1 A 以下時，應停止充電。

鋰電池的放電由于內部結構所致，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會縮短，因此在放電時需要嚴格控制放電終止電壓。

因此，設計一套高精度鋰離子充電管理系統對于鋰離子電池應用是至關重要的。本文介紹的智能化鋰電池充電系統是專門為鋰電池設計的高端技術解決方案。該系統適用于鋰離子/鎳氫/鉛酸蓄電池單體及整組進行實時監控、電池均衡、充放電電壓、溫度監測等，采用了電壓均衡控制、超溫保護等智能化技術，是功能強大、技術指標完善的動力電池充電管理系統。

2 系統構成與設計

充電系統主要由n 個(可擴充)充電模塊和上位PC 機監控軟件組成。支持充電過程編程，可按恒流充電、恒壓充電等多種工況進行相應組合設置工作步驟，除了具有硬件過壓過流保護，還允許用戶定義每個通道的過電壓、過電流等參數值，具備數據采集、存儲、通訊及分析功能，具有掉電保護功能，不丟失數據。另外還配置鋰電池管理系統，它主要由充電機、主控單元、數采單元和人機界面組成，硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 智能化鋰電池充電系統框圖

3 恒流恒壓源的設計

恒流恒壓源采用開關電源作為主要電路，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電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。

開關電源的電路組成方框圖如圖2 所示。

圖2 開關電源電路組成方框圖

防雷單元采用壓敏電阻進行保護，當有雷擊，產生的高壓經電網導入電源，壓敏電阻兩端電壓超過其工作電壓時，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 型濾波網絡，對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。

功率變換電路采用目前應用最廣泛的絕緣柵極場效應管MOSFET 管，是利用半導體表面的聲電效應進行工作的。由于它的柵極處于不導電狀態，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MOS管并接，使開關管電壓應力減少，EMI 減少，不發生二次擊穿。在開關管Q1 關斷時，變壓器的原邊線圈易產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測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1 V 時，UC3842 停止工作，開關管Q1 立即關斷。 R1 和Q1 中的結電容CGS、CGD一起組成RC 網絡，電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1 過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大;R1 過大，會降低開關管的開關速度。

Z1 通常將MOS 管的GS 電壓限制在18 V 以下，從而保護了MOS 管。 Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1 導通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多;當Q1 截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時也達到了磁場復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC 根據輸出電壓和電流時刻調整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩定了整機的輸出電流和電壓。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