鋰電池的開關電源式智能管理系統設計

0 引言
鋰電池具有體積小、比能量大、壽命長、放電性能好等特點。短短幾年時間里，已廣泛應用于筆記本電腦、手機、便攜式DVD及VCD等設備上，并且隨著生產技術的發展，還有進一步優化的趨勢。鋰電池具有這么多的優點，同時它的制造成本卻相對低廉，因此是未來最有前途的便攜性電池。
對于便攜性電池，人們希望在獲得大容量電能的同時，能夠盡量減輕系統的重量，增加電池的效率和壽命。另外由于便攜式設備的散熱條件一般比較差，所以對整個電源系統的效率也提出了較高的要求。
開關電源最大的特點是效率高。利用開關電源，可以很有效的減少大容量電池充電系統的功率損耗，從而大大降低整個系統的發熱量。本文詳細分析設計了一種基于開關模式電源的鋰離子／鋰聚合物智能管理系統。

1 智能管理系統的結構
本文中，我們使用目前應用最為廣泛的恒流恒壓充電方式，通過使用開關模式的電源來提供電池充電所需要的電壓和電流，并且應用單片機和一系列周邊電路來實現充放電的控制和對電池的保護功能。
利用單片機和開關電源相結合，我們就可以構造出一個智能化的鋰離子／鋰聚合物電池智能管理系統：開關電源主功率回路負責將電能轉化成電池充電所需要的形式，同時應盡量提高效率，減小電壓電流紋波；單片機負責控制整個系統的運行，包括充電機參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護狀態時充電機的關閉，根據電池電壓、充電電流、溫度等各種參數來智能監測電池充電狀態和實現對電池的一系列保護功能。
整個智能管理系統分為兩大部分：充電機和電池組。充電機主要包括了主功率回路和一部分的電源控制電路；而電池組部分則包括電池、檢測電路和單片機控制電路。這兩部分通過接口互相連接，能量從充電機傳往電池組，而控制信號一部分控制電池組的充放電回路的開通與關斷，另一部分則從電池組發送到充電機，控制充電機的啟動關閉和輸出恒壓恒流值。圖1為整個系統的框圖。

圖1充電機部分中，功率回路即為開關電源，它負責給電池進行充電，電源控制芯片接受從單片機傳來的恒壓恒流參考等控制信號，結合功率回路輸出的電壓電流反饋，實現電路在不同要求下的正確輸出。電池組部分中，單片機通過電壓檢測、電流檢測和溫度檢測等電路，實時地了解電池所處的狀態，確定電池是否需要充電，充電方式為恒流還是恒壓，何時應該結束充電過程，電池是否有過溫現象的發生等等。另外，單片機還必須檢測異常情況下，電池的過壓、過流以及溫度過高等現象，及時采取保護措施，同時發出報警信號及顯示報警原因。外部控制可以預置恒壓恒流參考值，也可以對充放電過程進行人工干預。

2 電路設計
電路的設計包括充電機和電池組兩大部分。
1)充電機的設計
本文設計一個工頻輸入，能夠實現恒流恒壓輸出的AC／DC開關電源。充電機的具體指標要求如下：輸入電壓：130～265Vac；輸出電壓Uo變化范圍：0～30Vdc；輸出恒流Io變化范圍：0～10A；輸出電壓紋波△Uppm：100mV。
根據上述的充電機指標，開關電源的最大輸出功率達到了POMAX=UOMAX?IOMAX=30V×10A=300W，假設電路效率η=80％，最大輸入功率為由于功率較大，我們采用PFC+DC／DC的兩級模式，以增大電源功率因數，減小對電網的不良影響。