鋰電池組充放電安全保護電路設計

史萬莉 高建中

【摘要】本論文采用LPC768 單片機強大的邏輯控制能力，同時監測多節鋰電池并聯充電過程，通過恒流恒壓模式充電實現了對鋰電池充電狀態的監測和對鋰電池過度充電及過電流的保護功能，保證充電過程中的安全性，實現了對鋰電池組充電過程的均衡管理。

【關鍵詞】鋰電池;充電;安全保護;動態管理

1.引言

鋰電池最早出現于1958年[1]，20世紀70年代進入實用化。20世紀80年代趨向研究鋰離子電池，以后日益發展。隨著科技進步與社會發展，像手機、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機、數碼攝像機等便攜式設備已越來越普及，這類產品常常采用二次電池進行供電。

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備中應用最廣泛的電池，其以體積小、容量大、質量輕、無記憶效應、無污染、電池循環充放電次數多（壽命長）等優點，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，在過度充電狀態下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產生氣體，容易使內壓上升而產生自燃或破裂的危險[3];因此鋰電池的過度充電及過電流保護很重要，所以通常都會設計保護電路，用以保護鋰電池。

本論文基于實際應用情況，以10節鋰電池為一組，研究鋰電池組充電安全保護電路的設計，其中鋰電池組充電時采用并聯模式。

2.鋰電池組充電安全保護電路硬件設計

并聯充電，即所有單體電池并聯獨立充電，均充滿時（4.2V）[4]，充電結束。鋰電池組并聯充電系統框圖如圖1所示，單片機LPC768通過四位選通控制位來依次選通CD4067 的第0～9位，即依次對充電的十節鋰電池進行監測和控制。單片機不停的掃描，并將采集到的電壓與電流信息與基準電壓與電流進行比較，通過控制相應的模擬開關的開斷程度來保證充電過程在恒流恒壓模式下進行。

圖1 鋰電池組并聯模式充電系統框圖

單片機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～I9采集流過電池的電流。向C0～C9發送控制信號，控制MOS場效應管的導通程度，從而實現電池恒流恒壓充電。

當電池兩端電壓低于4.2V時，控制場效應管，保持以2A電流恒流充電。當電池兩端電壓接近4.2V時，控制場效應管，保持恒壓充電。單片機控制10路單體充電電路，輪流采樣，調整。

2.1 單片機LPC768

LPC768單片機[5]是一種MCS-51 兼容的CPU。只有20個管腳，內部有4 路8bit A/D 轉換器，2 路8bit D/ A 轉換器（768 有4 路10bit PWM 型D/A轉換器），具有內部看門狗。價格便宜，功能齊全，抗干擾能力強，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 字節內部程序存儲器，128 字節用戶存儲空間。不過通過優化程序，完全滿足程序存儲。

圖2 基于單片機控制的鋰電池組并聯模式充電軟件流程圖

2.2 單刀多擲開關CD4067

CD4067[6]相當于一個單刀十六擲開關，有四個二進制輸入端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，關閉所有的通道。

3.鋰電池組充電安全保護電路軟件設計

圖2給出基于單片機控制的鋰電池組并聯模式充電軟件流程圖。

4.鋰電池組充電安全保護電路設計實驗驗證

PC機上位串口通信監測程序采用LabVIEW 圖形化編程語言編程，通信協議設置如下：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位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位;4）單片機通過查詢方式接受PC機發送的數據;5）PC機接收單片機由串口發送的數據后，由LabVIEW程序進行數據解析，分別取出電壓信號、電流信號等。

由于篇幅限制，圖3出示部分鋰電池充電過程監測圖，并對10節鋰電池組進行充電監測，約5h充電完成后，監測數據表1所示。

通過上面的實驗驗證，充電結束后對每一節鋰離子電池電壓測量得到的數據可以看出，本論文設計的鋰電池組安全充電電路具有過壓過流保護功能，過壓保護終止電壓為4.2V，過流保護終止2A，保證充電過程中的安全性，實現了對鋰電池組充電過程的均衡管理。

5.結論

對鋰電池組并聯充電安全保護電路中，選用了LPC768 單片機做為充電器的核心控制單元，通過CD4067 多路模擬開關依次掃描并監測十路鋰離子電池的充電狀態，發現過充電和過電流等情況時，能夠及時對出現異常情況的單體電池做出調節，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 程序進行數據解析，根據得到的實驗數據可以看出，該充電電路的設計達到了預期的效果。

參考文獻

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

[2]林玉蘭，呂迎陽，梁廣等.基于半導體溫差發電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術，2006（01）：38-43.

[3]吳宇平，萬春榮，姜長印.鋰離子二次電池[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4]潘靖.鋰電池智能管理系統[D].浙江大學，2007.

[5]王守中.一讀就通51單片機開發[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6]袁東明，史曉東，陳凌霄.現代數字電路與邏輯設計試驗教材[M].北京：北京郵電大學出版社，2011.