一種基于CPLD的鋰離子電池充放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

李燕

【摘 要】鋰離子電池充電及放電的特性決定了鋰離子電池對(duì)保護(hù)電路的要求非常嚴(yán)格，常用的鋰離子電池保護(hù)IC大多針對(duì)四串以下的電池包的設(shè)計(jì)，但實(shí)際使用中常常要求更大的電壓和容量。本文設(shè)計(jì)了一種基于CPLD的鋰離子電池保護(hù)電路，包括過(guò)充過(guò)放，過(guò)流，短路保護(hù)以及溫度的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，并帶有顯示報(bào)警單元。整個(gè)電路很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)四串以上的電池組的充放電保護(hù)控制，達(dá)到更大的電壓和容量要求。參數(shù)控制部分由軟件編程實(shí)現(xiàn)，易于變更，適用范圍更加廣泛。

【關(guān)鍵詞】CPLD;保護(hù)電路;鋰離子電池

中圖分類號(hào)： TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0158-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.068

0 前言

鋰離子電池出現(xiàn)在二十世紀(jì)九十年代初期，與鎳鎘、鎳氫電池相比，它的比能量高，電壓高，無(wú)記憶效應(yīng)，自放電率非常低（每月2-5%），工作溫度范圍寬，充放電壽命長(zhǎng)，這些獨(dú)特的性能，使它在短短十幾年的時(shí)間里，得到了空前的發(fā)展， 在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。鋰離子電池雖然比傳統(tǒng)的電池性能好很多，但它對(duì)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的要求也比傳統(tǒng)電池的要求高，否則，將會(huì)對(duì)鋰離子電池本身的造成損壞，及其它的危險(xiǎn)。

本文采用基于CPLD為控制中心的保護(hù)電路，包括過(guò)充過(guò)放，過(guò)流，短路保護(hù)以及溫度的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，并帶有顯示報(bào)警單元。整個(gè)電路很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)四串以上的電池組的充放電保護(hù)控制，達(dá)到更大的電壓和容量要求。參數(shù)控制部分由軟件編程實(shí)現(xiàn)，易于變更，適用范圍更加寬泛。

1 問(wèn)題的提出

鋰電池比較常用的充電方法是恒流恒壓（CC-CV）法充電[1]，充電過(guò)程如下：開(kāi)始階段用恒流進(jìn)行充電，充電電流小于0.8c，充電電壓基本達(dá)到4.2V（或4.1V），這個(gè)階段基本能達(dá)到總電量的80%;接下來(lái)是恒壓充電，在恒壓充電期間，充電電流漸漸減小，當(dāng)電流減小到大概在0.05C時(shí)，此時(shí)電池充滿。電池在充電的過(guò)程中，一旦充電器電路出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致在恒流流電階段電池電壓超過(guò)4.2V（或4.1V）后仍然繼續(xù)恒流充電，電池電壓必然會(huì)持續(xù)增加，直至超過(guò)4.3V，此時(shí)電池內(nèi)部將可能會(huì)有大量的氣體，這些氣體是電池化學(xué)副反應(yīng)產(chǎn)生的。大量的氣體能使電池內(nèi)部壓力迅速增大，導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸[2]。

鋰離子電池在使用的過(guò)程，也即對(duì)負(fù)載放電的過(guò)程，電池的電壓會(huì)逐漸下降，當(dāng)電池容量放完時(shí)其電壓降至2.4V左右，如果電池繼續(xù)放電，電池電壓繼續(xù)降低會(huì)對(duì)電池造成永久性損壞。

因此，當(dāng)鋰離子電池在電壓2.4V-4.25V（該值因電池不同略有不同，本文假設(shè)過(guò)充點(diǎn)為4.25V，過(guò)放點(diǎn)為2.4V）時(shí)可以正常的充電或放電，當(dāng)小于2.4V時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)斷電池放電回路，禁止其對(duì)外繼續(xù)供電，當(dāng)大于4.25V時(shí)也應(yīng)該停止充電。

此外由鋰離子電池的化學(xué)特性決定，電池放電電流超過(guò)2C電流放電時(shí)，電池也會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。此時(shí)保護(hù)電路也應(yīng)該關(guān)斷放電回路。

2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)及仿真

依據(jù)前面分析的鋰離子電池充放電特性，設(shè)計(jì)出的一種保護(hù)電路，原理框圖如圖1，整個(gè)電路以CPLD芯片為控制核心，采樣電路將從電池組采樣的電壓電流結(jié)果送到比較電路，CPLD芯片根據(jù)電流電壓比較電路和溫度測(cè)檢電路輸入的值控制2個(gè)MOSFET的開(kāi)關(guān)，MOS管作為鋰離子電池組充電和放電電路的開(kāi)關(guān)。電路正常情況下DE燈亮，過(guò)充過(guò)放及溫度出現(xiàn)異常時(shí)相應(yīng)的DU，DI，DT會(huì)亮，蜂鳴器報(bào)警.圖2為電路圖。

2.1 比較電路

圖3為電壓電流的比較電路，這個(gè)電路是個(gè)雙限比較器，電路的工作原理如下：當(dāng)Ui大于URH時(shí)也一定大于URL，所以集成運(yùn)放U1的輸出UO1=+UOM，U2的輸出UO2=-UOM·使得二極管D4導(dǎo)通，D5截止，穩(wěn)壓管D1工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓UO=+UZ·當(dāng)Ui小于URL時(shí)必然小于URH，所以集成運(yùn)放U1的輸出UO1=-UOM，UO1=-UOM，U2的輸出UO2=+UOM·使得二極管D4截止， D5導(dǎo)通，穩(wěn)壓管D1工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓UO=+Uz·當(dāng)輸入電壓大于URL小于URH，U1，U2的輸出都等于-UOM，所以D4， D5均截止， 輸出電壓UO=0。

在本設(shè)計(jì)中分別調(diào)節(jié)U1的反相輸入端的電阻使輸入電壓為4.25V，用同樣的方法調(diào)節(jié)U2的同相輸入端到2.4V。當(dāng)比較器輸入U(xiǎn)i大于4.25V或小于2.4V，電路輸出+Uz，區(qū)于兩值之間輸出0。

2.2 溫度檢測(cè)電路

溫度監(jiān)測(cè)電路如圖4所示.這是種恒溫器電路，它檢測(cè)鋰離子電池充放電電路中MOSFET周圍的溫度，如果超過(guò)75℃就輸出信號(hào)CT，控制充放電電路。

圖示中RT是熱敏電阻，阻值為100，RT與R1串聯(lián)后接恒壓源（如：+12V），RT中流經(jīng)約1mA的電流。R1的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RT，所以，RT熱敏電阻阻值變化，不會(huì)使測(cè)量電流產(chǎn)生大的變化，由此可得到近似恒流的線性輸出。當(dāng)MOSFET周圍溫度低于75℃時(shí)，集成運(yùn)放的同相輸入端電位低于反相輸入端，集成運(yùn)放輸出高電平;當(dāng)MOSFET周圍溫度超過(guò)75℃，則RT阻值增大到一定數(shù)值（0℃時(shí)為100），集成運(yùn)放的反相輸入端電位高于同相輸入端，集成運(yùn)放輸出變?yōu)榈碗娖?，從而控制電路充放電的開(kāi)關(guān)。

2.3 過(guò)充電保護(hù)

充電時(shí)，為防止因電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體及溫度所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升引起安問(wèn)題，需停止充電。采樣電路檢測(cè)電池電壓，當(dāng)超過(guò)4.25V時(shí)，比較器輸出CU為高電平，CPLD芯片控制Q1連接的I/O口輸出高電平，與DU連接的I/O口輸出高電平，蜂鳴器輸出高電平，充電截止，DU亮，蜂鳴器報(bào)警[3]。為避免因噪聲所產(chǎn)生的過(guò)度充電檢出誤動(dòng)作，需要設(shè)定延遲時(shí)間，并且延遲時(shí)間不能短于噪聲的持續(xù)時(shí)間。

2.4 過(guò)放電保護(hù)

當(dāng)鋰電池過(guò)放電時(shí)，電池內(nèi)部電解液會(huì)分解，最終造成電池特性變壞，電池的充電次數(shù)也會(huì)降低。為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)采樣電路檢測(cè)到鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)2.4V時(shí)，比較器輸出CU為高電平，CPLD芯片控制Q2連接的I/O口輸出高電平，與DU連接的I/O口輸出高電平，蜂鳴器輸出高電平，放電停止，DU亮，蜂鳴器報(bào)警?？紤]到脈沖放電的情況，過(guò)放電檢測(cè)電路也應(yīng)設(shè)有延遲時(shí)間以避免發(fā)生誤動(dòng)作。

2.5 過(guò)電流及短路保護(hù)

當(dāng)放電電流過(guò)大或發(fā)生短路時(shí)，此時(shí)過(guò)電流的檢測(cè)是將功率MOSFET的Rds（on）當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形，如果比所定的過(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電。即比較電路輸出CI為高電平，CPLD芯片控制Q2截止，放電停止。過(guò)電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)發(fā)生誤動(dòng)作。通常在過(guò)電流發(fā)生后，若能去除過(guò)電流因素（例如馬上與負(fù)載脫離），將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。

2.6 軟件設(shè)計(jì)

每次充電放電均進(jìn)行一次電壓電流溫度一個(gè)周期的查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示[4]。

3 總結(jié)

本文依據(jù)鋰離子電池特性，設(shè)計(jì)了一種基于CPLD芯片為控制核心的保護(hù)電路，外圍電路簡(jiǎn)單，對(duì)大電壓大容量鋰電池組的控制也很容易做到。與單片機(jī)相比CPLD在芯片容量、工作速度、編程難度以及可以擦寫次數(shù)上遠(yuǎn)優(yōu)于單片機(jī);因此由CPLD芯片控制的鋰離子電池保護(hù)電路與現(xiàn)在常用的單片機(jī)控制保護(hù)電路相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更多電池串并聯(lián)的充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，同時(shí)可以增加如動(dòng)態(tài)均衡、容量預(yù)測(cè)、通訊、身份識(shí)別等功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李紅梅，基于混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力型鋰電池保護(hù)電路的研究，合肥工業(yè)大學(xué)：碩士學(xué)位論文2008

[2]Yi-Hwa Liu，Jen-Hao Teng，and Yu-Chung Lin，“Search for an optimal rapid charging pattern for lithium-ion batteries using ant colony system algorithm，”IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol.52，Oct.2005，pp.1328-1336.

[3]李冬梅.PLD器件與EDA技術(shù)，北京廣播學(xué)院出版社，2000.01.

[4]李廣軍，孟憲元.可編程ASIC設(shè)計(jì)及應(yīng)用，電子科技大學(xué)出版社，2000.10.