三環(huán)控制鋰電池充電器的設(shè)計

徐穎晟 王志新 余俊宏 鄒建龍

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院1，上海 200240;嘉興清源電氣科技有限公司2，浙江 嘉興 314031)

0 引言

目前，鋰電池因其電壓高、循環(huán)性能好和無記憶效應等特點，被用作移動便攜式儀器的核心儲能裝置，而與之相匹配的鋰電池充電器也越來越被人們所重視。充電器的好壞不僅對儀器設(shè)備的性能有影響，而且對電池的壽命和設(shè)備工作效率也有影響。現(xiàn)在市面上較為典型的一種充電器是用一個專用集成芯片來控制充電電流、電壓的變化，這種充電方式的充電器雖然芯片體積小，但是也存在一些不足，如充電效率低、易發(fā)熱而降低電池壽命、控制精度低［1－2］等。針對集成芯片的發(fā)熱問題［3］，通常采用加入溫度保護模塊予以解決。

本文針對鋰電池的充放電特性及實際使用中的需求，選用新型的嵌入式處理器LM3S9B96為主控制器，克服了采用集成IC帶來的易發(fā)熱的問題。同時，在鋰電池充電過程中進行智能控制，嚴格控制充電電流、電壓、溫度等參數(shù)，從而提高了充電效率，實現(xiàn)了充電過程的數(shù)字化和智能化。

1 充電器的硬件設(shè)計

鋰電池充電器的硬件設(shè)計主要包括整流電路和充電器主電路(包括電源變換電路、采樣電路及保護電路等部分)。

1.1 PFC 電路

由于電力電子裝置和非線性負載的廣泛使用，電力系統(tǒng)電壓及波形容易產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生大量的諧波，導致電源輸入功率因數(shù)降低，電網(wǎng)環(huán)境嚴重污染，用電設(shè)備所處環(huán)境惡化等問題。同時，也給周圍的通信系統(tǒng)和公共電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來了危害［4］。為了克服以上問題，設(shè)計的鋰電池充電器采用功率因數(shù)補償(power factor compensation，PFC)電路進行交直流轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 功率因數(shù)補償電路Fig.1 PFC circuit

圖1中:S1為雙向開關(guān)管。當開關(guān)管導通時，輸入電流先后流經(jīng)電感和開關(guān)管，對電感進行儲能，同時直流側(cè)濾波電容給負載供電;當開關(guān)管斷開時，輸入電流經(jīng)過電感和整流二極管到達負載端，電感儲能和交流電源同時給負載和電容供電。該電路使用平均電流控制模式［5］，可以消除許多嚴重問題，諸如較差抗噪聲能力、斜坡補償以及峰值平均電流誤差等［6］。

1.2 充電器主電路

1.2.1 DC/DC 電源變換電路

在給鋰電池充電的過程中，充電器通過改變充電電壓和電流來實現(xiàn)不同的充電策略［7］。DC/DC雙管正激電路如圖2所示。在考慮電壓、電流影響的同時，也將溫度控制放入了充電策略中。正激電路的優(yōu)點是可以提高效率、降低設(shè)計的復雜性［8－9］。

圖2 雙管正激電路Fig.2 Double-tube positive excited circuit

圖2 中:Uin為輸入電壓;D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管。

DC/DC雙管正激變換器的工作原理是:當PWM輸出高電平時，MOSFET管導通，電流流經(jīng)晶體管和電感到達電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電;當PWM輸出低電平時，MOSFET關(guān)斷，電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流，電感電壓反向，電感、電容作為濾波器輸出電壓電流［10］。

1.2.2 采樣電路

采樣及保護電路如圖3所示。

圖3 采樣及保護電路Fig.3 Sampling and protection circuit

圖3中:R3=10 kΩ，為精密電阻;R4為 NTC-10KPX3-42H-S1熱敏電阻。

采樣包括對充電電流、充電電池端電壓和電池溫度的采樣。采樣的電壓、電流和溫度經(jīng)過ADC模塊發(fā)送到LM3S9B96控制芯片中，由LM3S9B96對數(shù)據(jù)進行分析與處理。

①電壓采樣電路

鋰電池充電電壓檢測采用電阻分壓原理。電壓采樣電路通過1個10 kΩ和1個2 kΩ的滑動變阻器分壓，將檢測電壓轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓。保護電路由RC電路和嵌位二極管組成，采集的電壓信號經(jīng)過保護電路后導入AIN0口，以保證A/D口不會因為流經(jīng)電壓太大而致使芯片被燒毀。

②電流采樣電路

電流采樣不外加傳感器，通過1個傳感電阻把流過電池的電流轉(zhuǎn)換為電壓后，再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換取樣。根據(jù)功率計算公式P=I2R可知，若傳感電阻R越大，消耗的功率也就越大，從而導致傳感電阻本身發(fā)熱嚴重。因此，傳感電阻取值設(shè)計為0.1 Ω，經(jīng)MCP6031運算放大器電壓放大到3 V左右，再通過保護電路，最終傳送到AIN1管腳。

③溫度采樣電路

溫度控制對于鋰電池充電器而言非常重要，這是因為充電過程中電池溫度過高，可能導致鋰電池發(fā)生永久性損壞，甚至發(fā)生爆炸現(xiàn)象。基于以上因素的考慮，設(shè)計的鋰電池充電器加入了溫度控制環(huán)路，并采用運放AD823進行電壓跟隨，運放輸出后經(jīng)過RC濾波及鉗位保護電路接入AIN2口，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。溫度傳感器使用熱敏電阻，選用的熱敏電阻型號為 NTC-10KPX3-42H-S1。該熱敏電阻為負溫度系數(shù)直插類型，25℃時電阻為10 kΩ，精度為1%。

2 充電器的軟件設(shè)計

2.1 DK-LM3S9B96 簡介

本文采用LM3S9B96芯片作為中央處理器。該芯片包括1個低壓降的穩(wěn)壓器，集成掉電復位和上電復位功能以及16 bit的ADC、DMA、GPIO等各種豐富的外設(shè)功能，可直接通向GPIO管腳。LM3S9B96芯片有2路ADC，即ADC0和ADC1。ADC0和ADC1都有16位輸入，即AIN0～AIN15，這十分適合所設(shè)計的鋰電池充電器。從采樣電路處實時采集到的充電電壓、電流及溫度信息，通過 AIN0、AIN1和AIN2口送入處理器，再通過計算決定下階段的充電電流，并利用PWM信號控制充電電流。

2.2 軟件程序設(shè)計

本次設(shè)計的鋰電池充電器主要采用分時處理模式，由電池電壓采集模塊、電池電流采集模塊和溫度采集模塊組成。充電器流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)啟動時先檢測電壓端電壓值，如果符合充電要求，則繼續(xù)充電，否則終止充電。充電器的充電控制單元LM3S9B96通過檢測電池端電壓值來選擇進行哪一階段的充電模式。

由于鋰電池在溫度高時工作效率和壽命都受很大影響，并且可能發(fā)生爆炸，因此，本次設(shè)計的鋰電池充電器著重在恒定電流充電、恒定電壓充電兩個充電狀態(tài)檢測電池的本身溫度，再選擇充電模式。當溫度超過給定的溫度值時，就停止工作;當溫度低于給定值時，則繼續(xù)進行充電。

3 試驗結(jié)果及分析

對基于微處理器DK-LM3S9B96控制的鋰電池充電器的關(guān)鍵參數(shù)電壓和電流進行測試，并針對24 V/40 Ah鋰電池進行試驗，采用的電壓表、電流表型號為VICTOR-VC890D，示波器型號為 TDS2024C。實際測得的鋰電池充電過程測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，在充電初期，鋰電池組處在深度放電狀態(tài)，需要進行預充電，由DK-LM3S9B96控制的PWM波產(chǎn)生小電流進行充電，這段時間鋰電池電壓緩緩上升，時間間隔取20 min。隨后，在各節(jié)電池電壓達到最低充電門限電壓后，進入6 A電流值恒流充電模式，此過程中的數(shù)據(jù)記錄間隔為30 min。當單節(jié)鋰電池電壓達到最高充電門限電流時，鋰電池兩端電池已經(jīng)基本穩(wěn)定，但是鋰電池的電流還沒減小到設(shè)定值，當電流減小到接近600 mA時，充電結(jié)束。

表1 鋰電池的充電記錄Tab.1 The charging records of the lithium battery

4 結(jié)束語

本文采用DK-LM3S9B96作為核心處理器，以鋰電池為應用對象，設(shè)計了三環(huán)控制的鋰電池充電器，并制造搭建了樣機。

試驗表明，本次設(shè)計的充電器具有以下優(yōu)點:硬件電路和軟件相結(jié)合，采用數(shù)字控制技術(shù)，大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性;與單獨采用芯片控制的充電器相比，本次設(shè)計的充電器使用微處理器來控制電路，既提高了控制精度，又改善了散熱性能。

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