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        鋰電池組充放電安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)

        2014-04-29 18:06:41史萬莉高建中
        電子世界 2014年13期
        關(guān)鍵詞:安全保護(hù)充電動(dòng)態(tài)管理

        史萬莉 高建中

        【摘要】本論文采用LPC768 單片機(jī)強(qiáng)大的邏輯控制能力,同時(shí)監(jiān)測(cè)多節(jié)鋰電池并聯(lián)充電過程,通過恒流恒壓模式充電實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池充電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)鋰電池過度充電及過電流的保護(hù)功能,保證充電過程中的安全性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組充電過程的均衡管理。

        【關(guān)鍵詞】鋰電池;充電;安全保護(hù);動(dòng)態(tài)管理

        1.引言

        鋰電池最早出現(xiàn)于1958年[1],20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用化。20世紀(jì)80年代趨向研究鋰離子電池,以后日益發(fā)展。隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展,像手機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等便攜式設(shè)備已越來越普及,這類產(chǎn)品常常采用二次電池進(jìn)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(shè)備中應(yīng)用最廣泛的電池,其以體積小、容量大、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長)等優(yōu)點(diǎn),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(tài)下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn)[3];因此鋰電池的過度充電及過電流保護(hù)很重要,所以通常都會(huì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路,用以保護(hù)鋰電池。

        本論文基于實(shí)際應(yīng)用情況,以10節(jié)鋰電池為一組,研究鋰電池組充電安全保護(hù)電路的設(shè)計(jì),其中鋰電池組充電時(shí)采用并聯(lián)模式。

        2.鋰電池組充電安全保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

        并聯(lián)充電,即所有單體電池并聯(lián)獨(dú)立充電,均充滿時(shí)(4.2V)[4],充電結(jié)束。鋰電池組并聯(lián)充電系統(tǒng)框圖如圖1所示,單片機(jī)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(duì)充電的十節(jié)鋰電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。單片機(jī)不停的掃描,并將采集到的電壓與電流信息與基準(zhǔn)電壓與電流進(jìn)行比較,通過控制相應(yīng)的模擬開關(guān)的開斷程度來保證充電過程在恒流恒壓模式下進(jìn)行。

        圖1 鋰電池組并聯(lián)模式充電系統(tǒng)框圖

        單片機(jī)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~I(xiàn)9采集流過電池的電流。向C0~C9發(fā)送控制信號(hào),控制MOS場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通程度,從而實(shí)現(xiàn)電池恒流恒壓充電。

        當(dāng)電池兩端電壓低于4.2V時(shí),控制場(chǎng)效應(yīng)管,保持以2A電流恒流充電。當(dāng)電池兩端電壓接近4.2V時(shí),控制場(chǎng)效應(yīng)管,保持恒壓充電。單片機(jī)控制10路單體充電電路,輪流采樣,調(diào)整。

        2.1 單片機(jī)LPC768

        LPC768單片機(jī)[5]是一種MCS-51 兼容的CPU。只有20個(gè)管腳,內(nèi)部有4 路8bit A/D 轉(zhuǎn)換器,2 路8bit D/ A 轉(zhuǎn)換器(768 有4 路10bit PWM 型D/A轉(zhuǎn)換器),具有內(nèi)部看門狗。價(jià)格便宜,功能齊全,抗干擾能力強(qiáng),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(jié)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,128 字節(jié)用戶存儲(chǔ)空間。不過通過優(yōu)化程序,完全滿足程序存儲(chǔ)。

        圖2 基于單片機(jī)控制的鋰電池組并聯(lián)模式充電軟件流程圖

        2.2 單刀多擲開關(guān)CD4067

        CD4067[6]相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開關(guān),有四個(gè)二進(jìn)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(shí),關(guān)閉所有的通道。

        3.鋰電池組充電安全保護(hù)電路軟件設(shè)計(jì)

        圖2給出基于單片機(jī)控制的鋰電池組并聯(lián)模式充電軟件流程圖。

        4.鋰電池組充電安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        PC機(jī)上位串口通信監(jiān)測(cè)程序采用LabVIEW 圖形化編程語言編程,通信協(xié)議設(shè)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(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn)位;4)單片機(jī)通過查詢方式接受PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù);5)PC機(jī)接收單片機(jī)由串口發(fā)送的數(shù)據(jù)后,由LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,分別取出電壓信號(hào)、電流信號(hào)等。

        由于篇幅限制,圖3出示部分鋰電池充電過程監(jiān)測(cè)圖,并對(duì)10節(jié)鋰電池組進(jìn)行充電監(jiān)測(cè),約5h充電完成后,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表1所示。

        通過上面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,充電結(jié)束后對(duì)每一節(jié)鋰離子電池電壓測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以看出,本論文設(shè)計(jì)的鋰電池組安全充電電路具有過壓過流保護(hù)功能,過壓保護(hù)終止電壓為4.2V,過流保護(hù)終止2A,保證充電過程中的安全性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組充電過程的均衡管理。

        5.結(jié)論

        對(duì)鋰電池組并聯(lián)充電安全保護(hù)電路中,選用了LPC768 單片機(jī)做為充電器的核心控制單元,通過CD4067 多路模擬開關(guān)依次掃描并監(jiān)測(cè)十路鋰離子電池的充電狀態(tài),發(fā)現(xiàn)過充電和過電流等情況時(shí),能夠及時(shí)對(duì)出現(xiàn)異常情況的單體電池做出調(diào)節(jié),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(jìn)行數(shù)據(jù)解析,根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,該充電電路的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。

        參考文獻(xiàn)

        [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(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置[J].電源技術(shù),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(xué)工業(yè)出版社,2002.

        [4]潘靖.鋰電池智能管理系統(tǒng)[D].浙江大學(xué),2007.

        [5]王守中.一讀就通51單片機(jī)開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

        [6]袁東明,史曉東,陳凌霄.現(xiàn)代數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)試驗(yàn)教材[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2011.

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