1 引言

鋰離子電池是上世紀九十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型二次電池。由于鋰離子電池具有能量密度高和循環(huán)壽命長(cháng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此很快在便攜式電子設備中獲得廣泛應用，也獲得了鋰電池生產(chǎn)商的青睞。

鋰離子電池主要由正極活性材料，易燃有機電解液和碳負極等構成。因此，鋰離子電池的安全性主要是由這些組件間的化學(xué)反應引起。

在使用中，根據鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應低于4.2 V，絕對不能過(guò)充，否則會(huì )因正極鋰離子拿走太多，產(chǎn)生危險。其充放電要求較高，一般應采用專(zhuān)門(mén)的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至設定值后轉入恒壓充電，當恒壓充電至0.1 A 以下時(shí)，應停止充電。

鋰電池的放電由于內部結構所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會(huì )縮短，因此在放電時(shí)需要嚴格控制放電終止電壓。

因此，設計一套高精度鋰離子充電管理系統對于鋰離子電池應用是至關(guān)重要的。本文介紹的智能化鋰電池充電系統是專(zhuān)門(mén)為鋰電池設計的高端技術(shù)解決方案。該系統適用于鋰離子/鎳氫/鉛酸蓄電池單體及整組進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、電池均衡、充放電電壓、溫度監測等，采用了電壓均衡控制、超溫保護等智能化技術(shù)，是功能強大、技術(shù)指標完善的動(dòng)力電池充電管理系統。

2 系統構成與設計

充電系統主要由n 個(gè)(可擴充)充電模塊和上位PC 機監控軟件組成。支持充電過(guò)程編程，可按恒流充電、恒壓充電等多種工況進(jìn)行相應組合設置工作步驟，除了具有硬件過(guò)壓過(guò)流保護，還允許用戶(hù)定義每個(gè)通道的過(guò)電壓、過(guò)電流等參數值，具備數據采集、存儲、通訊及分析功能，具有掉電保護功能，不丟失數據。另外還配置鋰電池管理系統，它主要由充電機、主控單元、數采單元和人機界面組成，硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 智能化鋰電池充電系統框圖

3 恒流恒壓源的設計

恒流恒壓源采用開(kāi)關(guān)電源作為主要電路，它由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護電路、輸出過(guò)欠壓保護電路、輸出過(guò)流保護電路、輸出短路保護電路等。

開(kāi)關(guān)電源的電路組成方框圖如圖2 所示。

圖2 開(kāi)關(guān)電源電路組成方框圖

防雷單元采用壓敏電阻進(jìn)行保護，當有雷擊，產(chǎn)生的高壓經(jīng)電網(wǎng)導入電源，壓敏電阻兩端電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上。

輸入濾波電路采用電感和電容組成的雙π 型濾波網(wǎng)絡(luò )，對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。

功率變換電路采用目前應用最廣泛的絕緣柵極場(chǎng)效應管MOSFET 管，是利用半導體表面的聲電效應進(jìn)行工作的。由于它的柵極處于不導電狀態(tài)，所以可以大大提高輸入電阻。MOS 管是利用柵源電壓的大小，來(lái)改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

主回路采用正激模式，控制芯片采用電流工作模式的UC3842，電路如圖3 所示。R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2 組成緩沖器，和開(kāi)關(guān)MOS管并接，使開(kāi)關(guān)管電壓應力減少，EMI 減少，不發(fā)生二次擊穿。在開(kāi)關(guān)管Q1 關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線(xiàn)圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1 V 時(shí)，UC3842 停止工作，開(kāi)關(guān)管Q1 立即關(guān)斷。 R1 和Q1 中的結電容CGS、CGD一起組成RC 網(wǎng)絡(luò )，電容的充放電直接影響著(zhù)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。R1 過(guò)小，易引起振蕩，電磁干擾也會(huì )很大;R1 過(guò)大，會(huì )降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。

Z1 通常將MOS 管的GS 電壓限制在18 V 以下，從而保護了MOS 管。 Q1 的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時(shí)，Q1 導通時(shí)間越長(cháng)，變壓器所儲存的能量也就越多;當Q1 截止時(shí)，變壓器通過(guò)D1、D2、R5、R4、C3 釋放能量，同時(shí)也達到了磁場(chǎng)復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC 根據輸出電壓和電流時(shí)刻調整著(zhù)⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩定了整機的輸出電流和電壓。C4 和R6 為尖峰電壓吸收回路。T1 副邊為正激式整流回路。

圖3 恒流恒壓源主回路電路圖

4 反饋回路的設計

恒壓型式的反饋回路采用如圖4 所示的由運放和光耦構成的形式。當輸出U0 升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1 分壓后，U1③腳電壓升高，當其超過(guò)U1②腳基準電壓后U1①腳輸出高電平，使Q1 導通，光耦OT1 發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導通，UC3842①腳電位相應變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0 降低。當輸出U0 降低時(shí)，U1③腳電壓降低，當其低過(guò)U1②腳基準電壓后U1①腳輸出低電平，Q1 不導通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0 降低。周而復始，從而使輸出電壓保持穩定。調節VR1 可改變輸出電壓值。

恒流型式與上圖類(lèi)似，通過(guò)繼電器切換運放③腳至電流反饋即可。

圖4 反饋回路原理圖

5 上位機軟件設計

鋰電池充電軟件主要由兩個(gè)獨立的軟件組成，即充電控制和充電數據處理分析軟件。充電控制軟件主要負責對鋰電池充電過(guò)程的全程監測控制，并生成電池充電數據文件和記錄充電數據;充電數據處理分析軟件主要實(shí)現充電數據的可視化顯示、數據處理及數據分析的功能，同時(shí)根據用戶(hù)要求提供電池配組的功能[5]。

兩個(gè)主要系統軟件即充電控制和充電數據處理分析軟件由各自的功能模塊組成。其中，充電控制軟件包括充電過(guò)程編制、安全保護、過(guò)程事件日志、掉電保護恢復和數據備份管理等功能模塊，而充電數據處理分析軟件包括數據處理、圖形處理、動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、數據導出和電池配組等功能模塊。

充電過(guò)程編制即通道自動(dòng)充電過(guò)程編制，它是通道充電中最核心的部分。充電過(guò)程可由很多工作步驟組成，在每個(gè)工作步驟中可以定義不同的工作模式及工作參數，如恒流充電、恒壓充電等等。當然，充電步驟中還包括結束條件等參數。

安全保護是基于安全需要而采取的保護措施。對一個(gè)合理的、正常的充電過(guò)程，這些保護措施通常是沒(méi)有發(fā)揮作用的;但由于充電過(guò)程多數需要經(jīng)歷較長(cháng)時(shí)間，這期間可能發(fā)生一些不可預期的事情(例如停電等)，而且，用戶(hù)也可能因為一時(shí)疏忽等原因設置了不合理主參數(例如結束條件不合理)，甚至于被測電池本身就有問(wèn)題。

因此設置安全保護參數是必需的。充電中，一旦“安全保護”條件滿(mǎn)足，充電將被安全停止。用戶(hù)在排除異常因素后，仍然可以使用“續接啟動(dòng)”功能恢復充電。

在電池充電過(guò)程中，任何時(shí)候出現供電系統停電或掉電，本充電系統均能對現場(chǎng)數據進(jìn)行保護，保證現場(chǎng)數據不丟失，重新上電后，充電系統具備自恢復功能，能從上次掉電的地方無(wú)縫接續，繼續充電過(guò)程。

數據處理功能模塊主要實(shí)現以下功能：

1) 數據的各種查看操作：包括數據條目的顯示/隱藏、設置顯示循環(huán)范圍、各循環(huán)的折疊與展開(kāi)、各過(guò)程的折疊與展開(kāi)等操作;

2)數據復制至WINDOWS 剪切板：主要用于將已經(jīng)打開(kāi)的某個(gè)數據文件的指定數據條目導出至EXCEL 或WORD 等工具軟件中，或作為文本格式(。TXT)存盤(pán);

3) 查看工作信息：查看充電數據對應的通道信息以及設置的充電過(guò)程等信息;

4) 查看充電事件：查看通道充電期間發(fā)生的意外事件(如掉電、安全停止等)或用戶(hù)的強制操作等(如強制跳轉、用戶(hù)停止);

5) 數據打印和打印預覽：通過(guò)打印機輸出數據。

6 實(shí)驗

按照圖1連接線(xiàn)路并接上電源，對1#電源和2#電源進(jìn)行系統實(shí)驗。首先啟動(dòng)管理系統，并啟動(dòng)充放電裝置，同時(shí)通過(guò)上位機發(fā)送充電指令。試驗人員記錄充電實(shí)測電流(壓)。表1是1#電源和2#電源試驗數據記錄表格。

表1 試驗數據記錄

7 結語(yǔ)

通過(guò)試驗驗證，充放電裝置已達預計指標，電池管理系統工作正常，能達到既定的功能要求。

本文智能化鋰電池充電系統安全、可靠、抗干擾性強、有良好的人機交互功能;充放電裝置恒壓恒流精度高，工作可靠，自動(dòng)化功能完善，并配置計算機運行軟件一套，使得本套系統具有高精度和完善的人機交互功能，操作人員只需要在計算機上發(fā)出指令就可以完成全部操作。