劉豐　羅新軍

摘 要 本研究的鋰電池應(yīng)用管理系統(tǒng)包括：?jiǎn)喂?jié)鋰電池、鋰電池充放電管理模塊、鋰電池放電過流保護(hù)模塊、鋰電池電壓過放保護(hù)模塊及鋰電池電壓升壓模塊；采用對(duì)鋰電池充放電電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)鋰電池的充放電進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】鋰電池 充放電 過放保護(hù) 過流保護(hù)

1 概述

鋰電池具有體積小、重量輕，比能量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低，無記憶效應(yīng)，綠色，工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。鋰電池在移動(dòng)通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，如動(dòng)環(huán)設(shè)備、射頻光纖分布系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)監(jiān)測(cè)儀等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備在外電掉電下的狀態(tài)監(jiān)控；通常設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)供電電壓在9V或以上，單節(jié)鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.7V，常用的方案是采用多節(jié)鋰電池串聯(lián)的方式來達(dá)到應(yīng)用系統(tǒng)的供電電壓要求，由于每節(jié)電池在出廠時(shí)均存在一定的差異性，隨著充放電次數(shù)的增加，串聯(lián)中的各鋰電池的差異將越來越大，造成電池組中各電池的充電時(shí)間不一致，導(dǎo)致電池浮沖、過充或過放，容易造成電池?fù)p壞。

為克服鋰電池應(yīng)用存在的缺點(diǎn)和不足，特別是多節(jié)鋰電池串聯(lián)存在的充放電不平衡問題，采用基于單節(jié)鋰電池應(yīng)用的管理系統(tǒng)及技術(shù)方案，可有效解決這些固有缺陷。

2 鋰電池充放電管理要求

鋰電池過充、過放、過流，高溫、低溫使用等均可能造成鋰電池物理、化學(xué)上的損壞。

鋰電池的理想充電過程：預(yù)充、恒流充電、恒壓充電、涓流充電、充電完成，不斷監(jiān)測(cè)鋰電池電壓并與門限比較，若低則重新開始充電，鋰電池充滿后應(yīng)盡量避免浮充。

理想的鋰電池充電電壓電流曲線如圖1所示。

3 單節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)框圖

單節(jié)鋰電池的標(biāo)稱電壓通常為3.7V，通常難以正好達(dá)到設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的供電要求。

單節(jié)鋰電池充放電管理系統(tǒng)包括：鋰電池充放電管理模塊、鋰電池放電過流保護(hù)模塊、鋰電池電壓過放保護(hù)模塊及鋰電池電壓升壓模塊。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

該鋰電池管理系統(tǒng)輸入部分為外部充電電源，輸出部分為應(yīng)用系統(tǒng)的工作電源，其中鋰電池充放電管理模塊、鋰電池電壓過放保護(hù)模塊、鋰電池放電過流保護(hù)模塊只是邏輯上劃分，物理上可能集成。

4 單節(jié)鋰電池充放電管理方法

依據(jù)鋰電池典型充電電壓電流曲線，結(jié)合移動(dòng)通信設(shè)備中鋰電池使用特點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)外部供電掉電時(shí)，鋰電池管理系統(tǒng)能夠?qū)?yīng)用系統(tǒng)電源無縫切換至采用鋰電池供電， 鋰電池放電時(shí)，能及時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池過流、過放情況并自動(dòng)切斷；當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)外部供電正常時(shí)，能夠根據(jù)偵測(cè)到的鋰電池電壓情況對(duì)鋰電池及時(shí)充電，避免浮充等。單節(jié)鋰電池充放電管理流程如下。

（1）在外部充電電源供電正常情況下，且在鋰電池未充滿的狀態(tài)下，鋰電池充放電管理模塊對(duì)鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋰電池電壓低于鋰電池充電電壓門限時(shí)，啟動(dòng)鋰電池充電過程，當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋰電池電壓等于鋰電池最高電壓，且充電電流很小時(shí)，則停止鋰電池充電過程，避免浮充；

（2）在外部充電電源供電正常情況下，且在鋰電池已經(jīng)充滿狀態(tài)下，鋰電池充放電管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓不斷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)到鋰電池電壓低于鋰電池充電電壓門限時(shí)，重新啟動(dòng)鋰電池充電過程；

（3）在外部充電電源供電異常情況下，鋰電池充放電管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池的電壓和外部充電電源的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此時(shí)監(jiān)測(cè)到外部充電電源模塊電壓不正常，則啟動(dòng)鋰電池放電過程；

（4）鋰電池放電過流保護(hù)模塊時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池放電回路中的工作電流大小，當(dāng)監(jiān)測(cè)到放電回路中鋰電池放電電流大于鋰電池最大放電電流門限時(shí)，則斷開鋰電池放電回路；當(dāng)監(jiān)測(cè)到放電回路中鋰電池放電電流低于鋰電池最大放電電流門限時(shí)，重新開放鋰電池放電回路；如此反復(fù)。

（5）鋰電池電壓過放保護(hù)模塊時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池當(dāng)前電壓大小，當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋰電池電壓低于最低放電電壓門限時(shí)，斷開鋰電池放電回路，停止鋰電池供電；當(dāng)監(jiān)測(cè)到鋰電池電壓高于最低電壓門限時(shí)，重新開放鋰電池放電回路；如此反復(fù)。

鋰電池電壓升壓模塊將單節(jié)鋰電池電壓升壓到適于應(yīng)用系統(tǒng)工作的電壓值，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)所需電壓要求。

5 單節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本研究的單節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)及方法主要在移動(dòng)通信設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

單節(jié)鋰電池應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在鋰電池容量的估算及選型，鋰電池電壓升壓器件的選型，鋰電池充放電管理芯片的選型及充放電開關(guān)的選型上。

鋰電池容量的估算，需要根據(jù)嵌入式最小系統(tǒng)及其外設(shè)的功耗及系統(tǒng)要求的鋰電池供電時(shí)間進(jìn)行推算。鋰電池容量計(jì)算可采用公式1進(jìn)行推算并留有余量。

Ii =（（ Ic * Uc） /η1）/ η2 / Ui （1）

其中：

Ii、Ui為鋰電池供電電流、電壓；

Ic、Uc為應(yīng)用系統(tǒng)工作電流、電壓；

η1、η2為開關(guān)電源、升壓DC/DC效率；

鋰電池電壓升壓器件的選型，主要考慮芯片的輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、芯片效率及散熱等。

鋰電池充放電管理芯片的選型，主要考慮芯片的輸入電壓范圍應(yīng)在應(yīng)用系統(tǒng)的供電電壓應(yīng)在其輸入電壓范圍內(nèi)、芯片充電電流大小及最大放電電流、過充電壓及過放電壓等。

鋰電池充放電開關(guān)的選型，建議采用基于MOSFET的大功率開關(guān)管。

通過器件選型及相關(guān)常溫、高低溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電路在輸入、輸出動(dòng)態(tài)范圍額定負(fù)載的情況下輸出電壓穩(wěn)定，電壓紋波在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了單節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)在產(chǎn)品中的應(yīng)用，證明了技術(shù)方案的可行性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種單節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)及方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。采用單節(jié)鋰電池供電方案，避免了多節(jié)鋰電池串聯(lián)供電由于鋰電池之間的差異性存在的固有缺陷，增強(qiáng)了鋰電池使用壽命、降低了成本。

參考文獻(xiàn)

[1]International Rectifier.IRF7304 datasheet. http：//www.irf.com.

[2] Intersil.EL7515 datasheet.http：//www.intersil.com.

[3] Seiko. S-8254A datasheet.http：//www.sii-ic.com.

作者簡(jiǎn)介

劉豐（1979-），男，江蘇省人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司項(xiàng)目經(jīng)理，從事無線通信規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。

羅新軍（1975-），男，江西省人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司高級(jí)工程師，從事無線通信規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。

作者單位

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 江蘇省南京市 210019