智能追光鋰電充電系統設計

鋰電池充電原理

（1）鋰電池充電要求

鋰電池的充電要求有：

①　終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。

②　充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時，因充電過程中的電化學反應會產生熱量，所以有一定的能量損失。

③　鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會使溫度過高。不僅會損壞電池，而且可能引起爆炸。

④　鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴重過放電可能造成鋰離子電池失效。對過放電的電池充電可以通過預處理進行補救，當鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。

鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護板，鋰電池保護板詳細資料請參見附錄一。

（2）恒流充電

采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖5所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯的電池組進行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質，產生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響鋰電池的壽命。

圖5 恒流充電

（3）恒壓充電

在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動而變化，因此充電電流的最大值應設置在充電電壓最高時，以免使電池過充電。實際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。

圖6恒壓充電

（4）恒流恒壓充電

在上述兩種充電方式的基礎上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監視電池端電壓。當電壓達到設定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。

圖7 恒流恒壓充電

三、系統設計及方案論證

1、總體設計

系統框圖如圖8所示。

圖8系統框圖

本系統設計主要有追光控制、電壓轉換、光耦開關控制、充電控制、照明燈控制和上位機界面控制六個部分組成，以追光及充電作為本系統的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結合溫度檢測，光耦等控制，實現了智能充電的功能，并能有效的保護鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能。基于太陽能電池板輸出電壓的變化，考慮選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調節。在照明燈狀態控制部分，使用光敏電阻來檢測外界光線強弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調制）調節照明燈的亮度。上位機控制臺用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時實現了人工管理。

2、詳細設計

（1）鋰電池及太陽能電池選擇

①鋰電池選擇

基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態鋰電池的金屬外殼，一旦發生安全隱患，不會爆炸，只會鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內阻小，比常規電池內阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態電解質，具有更平穩的放電特性和更高的放電平臺；工作電壓高；能量密度高；循環壽命長；無記憶效應，自放電小，無污染。

適用范圍：通訊設備（移動電話、網絡電話、對講機、藍牙耳機），移動辦公設備（筆記本計算機、PDA、便攜式傳真機、打印機），影像設備（數碼相機、攝像機、移動DVD、移動電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。