鋰電池組充放電安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)

史萬莉 高建中

【摘要】本論文采用LPC768 單片機(jī)強(qiáng)大的邏輯控制能力，同時(shí)監(jiān)測(cè)多節(jié)鋰電池并聯(lián)充電過程，通過恒流恒壓模式充電實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池充電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)鋰電池過度充電及過電流的保護(hù)功能，保證充電過程中的安全性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組充電過程的均衡管理。

【關(guān)鍵詞】鋰電池;充電;安全保護(hù);動(dòng)態(tài)管理

1.引言

鋰電池最早出現(xiàn)于1958年[1]，20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用化。20世紀(jì)80年代趨向研究鋰離子電池，以后日益發(fā)展。隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展，像手機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等便攜式設(shè)備已越來越普及，這類產(chǎn)品常常采用二次電池進(jìn)行供電。

市面上廣泛使用的便捷式二次電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、二次堿錳電池及鋰電池，其中鋰電池包括鋰離子電池和鋰聚合物電池。而可充電鋰電池是目前便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的電池，其以體積小、容量大、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多（壽命長(zhǎng)）等優(yōu)點(diǎn)，受到大家的青睞[2]。

鋰電池能量密度高，難以確保電池的安全性，在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn)[3];因此鋰電池的過度充電及過電流保護(hù)很重要，所以通常都會(huì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，用以保護(hù)鋰電池。

本論文基于實(shí)際應(yīng)用情況，以10節(jié)鋰電池為一組，研究鋰電池組充電安全保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，其中鋰電池組充電時(shí)采用并聯(lián)模式。

2.鋰電池組充電安全保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

并聯(lián)充電，即所有單體電池并聯(lián)獨(dú)立充電，均充滿時(shí)（4.2V）[4]，充電結(jié)束。鋰電池組并聯(lián)充電系統(tǒng)框圖如圖1所示，單片機(jī)LPC768通過四位選通控制位來依次選通CD4067 的第0～9位，即依次對(duì)充電的十節(jié)鋰電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。單片機(jī)不停的掃描，并將采集到的電壓與電流信息與基準(zhǔn)電壓與電流進(jìn)行比較，通過控制相應(yīng)的模擬開關(guān)的開斷程度來保證充電過程在恒流恒壓模式下進(jìn)行。

圖1 鋰電池組并聯(lián)模式充電系統(tǒng)框圖

單片機(jī)CPU 通過模擬多路器（CD4067）從V0～V9采集電池兩端電壓，包括50mΩ 采樣電阻壓降，線路損耗壓降。從I0～I(xiàn)9采集流過電池的電流。向C0～C9發(fā)送控制信號(hào)，控制MOS場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通程度，從而實(shí)現(xiàn)電池恒流恒壓充電。

當(dāng)電池兩端電壓低于4.2V時(shí)，控制場(chǎng)效應(yīng)管，保持以2A電流恒流充電。當(dāng)電池兩端電壓接近4.2V時(shí)，控制場(chǎng)效應(yīng)管，保持恒壓充電。單片機(jī)控制10路單體充電電路，輪流采樣，調(diào)整。

2.1 單片機(jī)LPC768

LPC768單片機(jī)[5]是一種MCS-51 兼容的CPU。只有20個(gè)管腳，內(nèi)部有4 路8bit A/D 轉(zhuǎn)換器，2 路8bit D/ A 轉(zhuǎn)換器（768 有4 路10bit PWM 型D/A轉(zhuǎn)換器），具有內(nèi)部看門狗。價(jià)格便宜，功能齊全，抗干擾能力強(qiáng)，基本不需要外部譯碼控制元件與電路。其不足之處是只有4k 字節(jié)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，128 字節(jié)用戶存儲(chǔ)空間。不過通過優(yōu)化程序，完全滿足程序存儲(chǔ)。

圖2 基于單片機(jī)控制的鋰電池組并聯(lián)模式充電軟件流程圖

2.2 單刀多擲開關(guān)CD4067

CD4067[6]相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開關(guān)，有四個(gè)二進(jìn)制輸入端A、B、C、D和控制端INH，具體接通哪一通道，由輸入地址碼ABCD來決定。INH=1時(shí)，關(guān)閉所有的通道。

3.鋰電池組充電安全保護(hù)電路軟件設(shè)計(jì)

圖2給出基于單片機(jī)控制的鋰電池組并聯(lián)模式充電軟件流程圖。

4.鋰電池組充電安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

PC機(jī)上位串口通信監(jiān)測(cè)程序采用LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)言編程，通信協(xié)議設(shè)置如下：1）異步串行通訊;2）串行通信波特率為9600Hz;3）幀格式為：1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位;4）單片機(jī)通過查詢方式接受PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù);5）PC機(jī)接收單片機(jī)由串口發(fā)送的數(shù)據(jù)后，由LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，分別取出電壓信號(hào)、電流信號(hào)等。

由于篇幅限制，圖3出示部分鋰電池充電過程監(jiān)測(cè)圖，并對(duì)10節(jié)鋰電池組進(jìn)行充電監(jiān)測(cè)，約5h充電完成后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表1所示。

通過上面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充電結(jié)束后對(duì)每一節(jié)鋰離子電池電壓測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以看出，本論文設(shè)計(jì)的鋰電池組安全充電電路具有過壓過流保護(hù)功能，過壓保護(hù)終止電壓為4.2V，過流保護(hù)終止2A，保證充電過程中的安全性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組充電過程的均衡管理。

5.結(jié)論

對(duì)鋰電池組并聯(lián)充電安全保護(hù)電路中，選用了LPC768 單片機(jī)做為充電器的核心控制單元，通過CD4067 多路模擬開關(guān)依次掃描并監(jiān)測(cè)十路鋰離子電池的充電狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)過充電和過電流等情況時(shí)，能夠及時(shí)對(duì)出現(xiàn)異常情況的單體電池做出調(diào)節(jié)，保證了充電過程的安全性、均衡性和可靠性。最后，論文使用了LabVIEW 程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該充電電路的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]Walter A V S，Bruno S.Advances in Lithium-ion Batteries[M].New York：Kluwer Acadimic/Plenum Publishers，2002：185-232.

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[3]吳宇平，萬春榮，姜長(zhǎng)印.鋰離子二次電池[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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[5]王守中.一讀就通51單片機(jī)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]袁東明，史曉東，陳凌霄.現(xiàn)代數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)試驗(yàn)教材[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.