智能鋰電池充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范雪，張愛良

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，江蘇宜興214206）

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池在電動(dòng)車及機(jī)動(dòng)車中應(yīng)用范圍最廣，但其重量大、環(huán)保性差、充放電存在記憶性及易失水、漏液導(dǎo)致失效、耐用性差等缺點(diǎn)使其在使用過程中存在短板，因此，節(jié)能環(huán)保的鋰電池已經(jīng)有逐漸取代蓄電池的趨勢[1]。文中針對中小容量型12 V鋰電池設(shè)計(jì)一款智能充電器。

1 鋰電池理論知識(shí)

鋰電池充電最經(jīng)典的理論是馬斯三定律，目前，針對各種類型的鋰電池充電器的設(shè)計(jì)都以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究[2]。其中，

1）對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時(shí)的電流接受比a與電池放出的容量的平方根成反比；

2）對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數(shù)成正比；

3）蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個(gè)放電率下的允許充電電流的總和。

綜合上述3點(diǎn)，可以得出如圖1所示曲線，隨著充電時(shí)間的推移，電池飽和度增加，可接納的充電電流也隨之下降，直到充電電流降至設(shè)定閾值后，進(jìn)入維護(hù)充電或脈沖充電過程，對充電器進(jìn)行點(diǎn)滴補(bǔ)償，直至電池完全充滿。圖1為鋰電池的充電性能曲線。

圖1 鋰電池充電性能曲線

2 鋰電池充電器軟件設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池充電器設(shè)計(jì)分析

由于鋰電池與鉛酸蓄電池的化學(xué)性能有極大的不同，因此，對同樣容量及額定電壓的鋰電池與蓄電池，充電電流、充電電壓、充電效率及充電時(shí)間等性能有極大區(qū)別。目前，市場上針對蓄電池的充電器種類比較多，但蓄電池充電器不能直接對鋰電池進(jìn)行充電，否則會(huì)對鋰電池造成永久性傷害。而鋰電池充電作為一種新興技術(shù)，在充電器設(shè)計(jì)及研發(fā)方面均有待提高。文中針對鋰電池的特殊性能，設(shè)計(jì)出一款智能、高效、快速、安全的鋰電池充電器。

2.2 充電曲線設(shè)計(jì)

鋰電池充電器的充電流程主要包含恒流充電、恒壓充電及脈沖充電3部分，并在充電初始階段進(jìn)行電池評估，充電結(jié)束后進(jìn)行電池性能判斷及維護(hù)。在充電過程中，充電電壓及電流根據(jù)電池實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以期維持電池性能動(dòng)態(tài)平衡過程。充電器的電壓與電流輸出是由硬件控制，但動(dòng)態(tài)平衡調(diào)整則由軟件來完成。本系統(tǒng)智能充電器的充電流程如下：

1）電池評估階段：充電器上電后，打開充電開關(guān)，進(jìn)入電池評估階段；讀取當(dāng)前電池電壓，判斷電池電壓是否低于閾值，如果低于設(shè)定閾值，則充電器首先進(jìn)行一段保護(hù)充電過程，直到電池電壓高于閾值后，停止充電一段時(shí)間，重新開始進(jìn)行1）。對12 V充電器，閾值一般選擇10 V。

2）恒流充電：恒流充電是鋰電池充電過程的主要部分，充電電流一般選擇0.2 C左右，這個(gè)電流也是保護(hù)電池特性與保證充電安全的最佳值。一般選擇充電3個(gè)小時(shí)，可以將電池充電至70%以上，保證電池容量的最大化；當(dāng)電池電壓達(dá)到13 V時(shí)，充電流程跳出恒流充電，進(jìn)入3）。

3）恒壓充電：充電器輸出電壓為13 V，此時(shí)，電流逐漸減小，直至減小到0.01 C左右，充電結(jié)束，可保證電池充電至少至95%以上，進(jìn)入4）。

4）脈沖充電：電池此時(shí)已接近充滿，為避免充電器斷開后電池自放電導(dǎo)致的電池容量損耗，充電器每隔一段時(shí)間關(guān)閉繼器，以小電流為其脈沖充電，以保證電池容量充足。該過程持續(xù)10小時(shí)后，充電器斷開，進(jìn)入步驟5）。

5）維護(hù)充電：充電器此時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，僅電池電壓采樣AD端口間隔時(shí)間工作，當(dāng)電池電壓值低于12.5 V以下時(shí)，充電器重新喚醒，充電流程重新進(jìn)入1）。圖2為智能充電器的充電曲線示意圖。

圖2 鋰電池充電曲線

2.3 充電流程

12 V鋰電池在充電過程中的最高電壓為14.2 V，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池的額定電壓14.4 V稍低；并且最大充電電流不超過0.2 C，防止過壓過流導(dǎo)致鋰電流內(nèi)部離子失衡而引起電池失效。

在充電過程中，恒流充電至電池容量的50%～70%時(shí)，充電流程可轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐撼潆娔Ｊ剑藭r(shí)，電流逐步下降，當(dāng)充電至95%左右時(shí)，可停止充電。此時(shí)，充電的主要流程結(jié)果，采用補(bǔ)充維護(hù)充電或脈沖充電來繼續(xù)增加電池容量，直至100%。

在充電過程中，如果遇到失效電池，即電池電壓已不受充電器控制，在電池恒壓充電后，可在一段時(shí)間內(nèi)判斷電池是否失效；若電池初始電壓不足，則需要用小電流持續(xù)充電，直到電池電壓超過一定值，再重新充電。

鋰電池充電器在充電過程中，不僅時(shí)刻監(jiān)測電壓、電流值，并且具有溫度保護(hù)與過壓過流保護(hù)功能，通過溫度值與電壓電流值的采集，與控制器內(nèi)設(shè)定閾值比較，達(dá)到充電流程與反饋相結(jié)合，再經(jīng)過調(diào)整匹配，達(dá)到最佳充電狀態(tài)。圖3是文中介紹的充電器的充電流程。

3 鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源管理芯片

充電器電源管理IC部分[8]選用性能豐富、功率范圍寬的集成離線式開關(guān)IC TOP 258EN，主要用于充電器的反接保護(hù)、電池低電壓保護(hù)及電池過電壓保護(hù)等。充電器輸入電壓范圍可達(dá)190～253 V，芯片通過調(diào)節(jié)

MOS管的PWM占空比來控制輸出與關(guān)斷，圖4為電源管理芯片原理圖。

3.2 充電器控制器

智能鋰電池充電器控制器[6]采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega88p，內(nèi)部時(shí)鐘選用1 MHz，AD采樣精度達(dá)10位，內(nèi)部芯片工作電壓設(shè)為5 V。芯片可選空閑工作模式、省電模式和掉電模式等，可通過USART串口與電腦相連，也可在線調(diào)試下載程序。圖5為微處理器芯片的原理圖。

圖3 鋰電池充電流程

圖4 電源管理芯片

圖5 充電器控制芯片原理圖

3.3 穩(wěn)壓電源電路

出于安全及充電穩(wěn)定性的需求，鋰電池充電過程中反饋信息的準(zhǔn)確性十分重要，對鋰電池的電流、電壓、當(dāng)前溫度、空載狀態(tài)等信息的數(shù)據(jù)采集要穩(wěn)定可靠，因此，充電器采用ADR3425穩(wěn)壓源控制AD的參考電壓，ADR3425穩(wěn)壓源的輸入帶寬范圍比較大，輸出為2.5 V直流電壓，作為控制器ADC的參考電壓，穩(wěn)定可靠。圖6為鋰電池充電器的穩(wěn)壓源電路的設(shè)計(jì)部分。

圖6 AD穩(wěn)壓電源電路

4 充電流程

4.1 充電曲線

選用容量為16 Ah的鋰電池，通過放電將電池初始電壓值設(shè)置為12.9 V，靜置8小時(shí)，通過智能鋰電池充電器充電，圖7為鋰電池充電的電壓電流值曲線。

圖7 智能鋰電池充電流程

4.2 充電控制界面

在鋰電池的充電測試過程中，對充電流程的判斷及報(bào)警處理，測試者很難直接觀察到，鋰電池充電器利用visual studio2015設(shè)計(jì)一款上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)將充電步驟及充電過程中產(chǎn)生的問題通過USART串口傳輸?shù)奖O(jiān)控界面，方便測試人員直接觀察充電現(xiàn)象。圖8為充電器的上位機(jī)監(jiān)控界面。

圖8 鋰電池充電器監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

文中通過對鋰電池及智能充電的研究，設(shè)計(jì)一款可在線調(diào)試與下載程序的智能鋰電池充電器，對充電器的硬件進(jìn)行了選擇與設(shè)計(jì)，并重新設(shè)計(jì)充電流程；智能充電器通過閉環(huán)拓?fù)浞答伩刂?，?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電壓與充電電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該智能充電器充電過程完整，適合工業(yè)批量生產(chǎn)。

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