徐穎晟 王志新 余俊宏 鄒建龍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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(yīng)等特點(diǎn)，被用作移動(dòng)便攜式儀器的核心儲(chǔ)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(duì)儀器設(shè)備的性能有影響，而且對(duì)電池的壽命和設(shè)備工作效率也有影響?，F(xiàn)在市面上較為典型的一種充電器是用一個(gè)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(duì)集成芯片的發(fā)熱問題［3］，通常采用加入溫度保護(hù)模塊予以解決。

本文針對(duì)鋰電池的充放電特性及實(shí)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(shí)，在鋰電池充電過程中進(jìn)行智能控制，嚴(yán)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(shí)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(jì)

鋰電池充電器的硬件設(shè)計(jì)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(hù)電路等部分)。

1.1 PFC 電路

由于電力電子裝置和非線性負(fù)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(dǎo)致電源輸入功率因數(shù)降低，電網(wǎng)環(huán)境嚴(yán)重污染，用電設(shè)備所處環(huán)境惡化等問題。同時(shí)，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(jì)的鋰電池充電器采用功率因數(shù)補(bǔ)償(power factor compensation，PFC)電路進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 功率因數(shù)補(bǔ)償電路Fig.1 PFC circuit

圖1中:S1為雙向開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電流先后流經(jīng)電感和開關(guān)管，對(duì)電感進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)直流側(cè)濾波電容給負(fù)載供電;當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，輸入電流經(jīng)過電感和整流二極管到達(dá)負(fù)載端，電感儲(chǔ)能和交流電源同時(shí)給負(fù)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(yán)重問題，諸如較差抗噪聲能力、斜坡補(bǔ)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(shí)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(shí)，也將溫度控制放入了充電策略中。正激電路的優(yōu)點(diǎn)是可以提高效率、降低設(shè)計(jì)的復(fù)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(dāng)PWM輸出高電平時(shí)，MOSFET管導(dǎo)通，電流流經(jīng)晶體管和電感到達(dá)電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電;當(dāng)PWM輸出低電平時(shí)，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(hù)電路如圖3所示。

圖3 采樣及保護(hù)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

①電壓采樣電路

鋰電池充電電壓檢測(cè)采用電阻分壓原理。電壓采樣電路通過1個(gè)10 kΩ和1個(gè)2 kΩ的滑動(dòng)變阻器分壓，將檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓。保護(hù)電路由RC電路和嵌位二極管組成，采集的電壓信號(hào)經(jīng)過保護(hù)電路后導(dǎo)入AIN0口，以保證A/D口不會(huì)因?yàn)榱鹘?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(gè)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(jì)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(dǎo)致傳感電阻本身發(fā)熱嚴(yán)重。因此，傳感電阻取值設(shè)計(jì)為0.1 Ω，經(jīng)MCP6031運(yùn)算放大器電壓放大到3 V左右，再通過保護(hù)電路，最終傳送到AIN1管腳。

③溫度采樣電路

溫度控制對(duì)于鋰電池充電器而言非常重要，這是因?yàn)槌潆娺^程中電池溫度過高，可能導(dǎo)致鋰電池發(fā)生永久性損壞，甚至發(fā)生爆炸現(xiàn)象?；谝陨弦蛩氐目紤]，設(shè)計(jì)的鋰電池充電器加入了溫度控制環(huán)路，并采用運(yùn)放AD823進(jìn)行電壓跟隨，運(yùn)放輸出后經(jīng)過RC濾波及鉗位保護(hù)電路接入AIN2口，進(jìn)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(hào)為 NTC-10KPX3-42H-S1。該熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)直插類型，25℃時(shí)電阻為10 kΩ，精度為1%。

2 充電器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 DK-LM3S9B96 簡(jiǎn)介

本文采用LM3S9B96芯片作為中央處理器。該芯片包括1個(gè)低壓降的穩(wěn)壓器，集成掉電復(fù)位和上電復(fù)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(jì)的鋰電池充電器。從采樣電路處實(shí)時(shí)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(jì)算決定下階段的充電電流，并利用PWM信號(hào)控制充電電流。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的鋰電池充電器主要采用分時(shí)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(dòng)時(shí)先檢測(cè)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(cè)電池端電壓值來選擇進(jìn)行哪一階段的充電模式。

由于鋰電池在溫度高時(shí)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(jì)的鋰電池充電器著重在恒定電流充電、恒定電壓充電兩個(gè)充電狀態(tài)檢測(cè)電池的本身溫度，再選擇充電模式。當(dāng)溫度超過給定的溫度值時(shí)，就停止工作;當(dāng)溫度低于給定值時(shí)，則繼續(xù)進(jìn)行充電。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)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(jìn)行測(cè)試，并針對(duì)24 V/40 Ah鋰電池進(jìn)行試驗(yàn)，采用的電壓表、電流表型號(hào)為VICTOR-VC890D，示波器型號(hào)為 TDS2024C。實(shí)際測(cè)得的鋰電池充電過程測(cè)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(jìn)行預(yù)充電，由DK-LM3S9B96控制的PWM波產(chǎn)生小電流進(jìn)行充電，這段時(shí)間鋰電池電壓緩緩上升，時(shí)間間隔取20 min。隨后，在各節(jié)電池電壓達(dá)到最低充電門限電壓后，進(jìn)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(dāng)單節(jié)鋰電池電壓達(dá)到最高充電門限電流時(shí)，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(dāng)電流減小到接近600 mA時(shí)，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(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)了三環(huán)控制的鋰電池充電器，并制造搭建了樣機(jī)。

試驗(yàn)表明，本次設(shè)計(jì)的充電器具有以下優(yōu)點(diǎn):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(dú)采用芯片控制的充電器相比，本次設(shè)計(jì)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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