鋰電池的開關(guān)電源式智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鋰電池的開關(guān)電源式智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)2009-11-19 9:39:20引言    鋰電池具有體積小、比能量大、壽命長、放電性能好等特點(diǎn)。短短幾年時(shí)間里，已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、便攜式DVD及VCD等設(shè)備上，并且隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，還有進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢。鋰電池具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的制造成本卻相對(duì)低廉，因此是未來最有前途的便攜性電池。    對(duì)于便攜性電池，人們希望在獲得大容量電能的同時(shí)，能夠盡量減輕系統(tǒng)的重量，增加電池的效率和壽命。另外由于便攜式設(shè)備的散熱條件一般比較差，所以對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的效率也提出了較高的要求。 

2、   開關(guān)電源最大的特點(diǎn)是效率高。利用開關(guān)電源，可以很有效的減少大容量電池充電系統(tǒng)的功率損耗，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文詳細(xì)分析設(shè)計(jì)了一種基于開關(guān)模式電源的鋰離子/鋰聚合物智能管理系統(tǒng)。    1 智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)    本文中，我們使用目前應(yīng)用最為廣泛的恒流恒壓充電方式，通過使用開關(guān)模式的電源來提供電池充電所需要的電壓和電流，并且應(yīng)用單片機(jī)和一系列周邊電路來實(shí)現(xiàn)充放電的控制和對(duì)電池的保護(hù)功能。    利用單片機(jī)和開關(guān)電源相結(jié)合，我們就可以構(gòu)造出一個(gè)智能化的鋰離子/鋰聚合物電

3、池智能管理系統(tǒng)：開關(guān)電源主功率回路負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化成電池充電所需要的形式，同時(shí)應(yīng)盡量提高效率，減小電壓電流紋波;單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括充電機(jī)參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來智能監(jiān)測電池充電狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的一系列保護(hù)功能。    整個(gè)智能管理系統(tǒng)分為兩大部分：充電機(jī)和電池組。充電機(jī)主要包括了主功率回路和一部分的電源控制電路;而電池組部分則包括電池、檢測電路和單片機(jī)控制電路。這兩部分通過接口互相連接，能量從充電機(jī)傳往電池組，而控制信號(hào)一部分控制電池組的充放電回路的開通與關(guān)斷，另一部分則從電池

4、組發(fā)送到充電機(jī)，控制充電機(jī)的啟動(dòng)關(guān)閉和輸出恒壓恒流值。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的框圖。    圖1充電機(jī)部分中，功率回路即為開關(guān)電源，它負(fù)責(zé)給電池進(jìn)行充電，電源控制芯片接受從單片機(jī)傳來的恒壓恒流參考等控制信號(hào)，結(jié)合功率回路輸出的電壓電流反饋，實(shí)現(xiàn)電路在不同要求下的正確輸出。電池組部分中，單片機(jī)通過電壓檢測、電流檢測和溫度檢測等電路，實(shí)時(shí)地了解電池所處的狀態(tài)，確定電池是否需要充電，充電方式為恒流還是恒壓，何時(shí)應(yīng)該結(jié)束充電過程，電池是否有過溫現(xiàn)象的發(fā)生等等。另外，單片機(jī)還必須檢測異常情況下，電池的過壓、過流以及溫度過高等現(xiàn)象，及時(shí)采取保護(hù)措施，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及顯示報(bào)警原因。外

5、部控制可以預(yù)置恒壓恒流參考值，也可以對(duì)充放電過程進(jìn)行人工干預(yù)。     2 電路設(shè)計(jì)    電路的設(shè)計(jì)包括充電機(jī)和電池組兩大部分。    1)充電機(jī)的設(shè)計(jì)    本文設(shè)計(jì)一個(gè)工頻輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流恒壓輸出的AC/DC開關(guān)電源。充電機(jī)的具體指標(biāo)要求如下：輸入電壓：130265Vac;輸出電壓Uo變化范圍：030Vdc;輸出恒流Io變化范圍：010A;輸出電壓紋波Uppm：<100mV。    根據(jù)上述的充電機(jī)指標(biāo)，開關(guān)電源的最大輸出功率達(dá)到了

6、POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W，假設(shè)電路效率=80%，最大輸入功率為由于功率較大，我們采用PFC+DC/DC的兩級(jí)模式，以增大電源功率因數(shù)，減小對(duì)電網(wǎng)的不良影響。    PFC部分采用應(yīng)用最為普遍的Boost電路結(jié)合CCM平均電流模式來實(shí)現(xiàn)PFC效果。Boost，PFC的基本電路和波形如圖2和圖3所示：    由圖可見，電感電流的平均值基本跟隨正弦輸入電壓變化，從而使整個(gè)電路具有良好的PF效果，較小的THD含量，減小了變流器對(duì)電網(wǎng)的不良影響。    由于電

7、路的最大輸出功率POMAX=300W，DC/DC部分的設(shè)計(jì)選擇功率容量較大、控制相對(duì)簡單的雙管正激拓?fù)?圖4)。該拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)二極管來復(fù)位激磁電流，同時(shí)兩個(gè)MOSFET兩端的電壓也被箝位在輸入電壓，因此我們可以選擇耐壓相對(duì)較低，導(dǎo)通電阻相對(duì)較小的開關(guān)管，有效的降低了電路的導(dǎo)通損耗。但是由于激磁電流必須在新開關(guān)周期開始之前降為零，所以電路的占空比必須限制在0.5以下，從而使激磁能量在一個(gè)周期結(jié)束之前完全回饋到輸入端，避免了可能出現(xiàn)的變壓器偏磁甚至飽和現(xiàn)象。    2)控制電路設(shè)計(jì)    充電機(jī)部分的控制電路主要包括負(fù)責(zé)給充電機(jī)部分控制

8、電路供電的輔助電源部分和主功率電路的電源控制芯片部分(包括PFC和DC/DC兩部分的控制)，除了恒流參考信號(hào)、恒壓參考信號(hào)和電路保護(hù)信號(hào)由電池組部分的單片機(jī)發(fā)到充電機(jī)控制電路外，其余部分的控制功能全部都由充電機(jī)的控制電路自主完成。    (1)主功率電源控制部分的設(shè)計(jì)    由于電路為PF C+D C/D C的兩級(jí)形式，為了簡化控制電路，我們使用TI公司生產(chǎn)的UCC28517混合控制芯片來實(shí)現(xiàn)控制功能。UCC28517是UCC2851x系列中的一種，這一系列混合控制芯片的一個(gè)重要特點(diǎn)，是能夠提供上升沿觸發(fā)PFC信號(hào)，下降沿觸發(fā)PWM信

9、號(hào)(TEM/LEM)的功能，可顯著地減小了蓄能電容上的電流紋波。芯片還提供了平均電流模式PFC控制、可選的PFC與PWM頻率比(1：1或者1：2)、欠壓保護(hù)、DC/DC級(jí)可編程軟啟動(dòng)等等功能。我們選擇的UCC28517頻率比為1：2，DC/DC級(jí)控制在PFC級(jí)輸出電壓達(dá)到額定值的90%時(shí)才開始工作，遇到線電壓下降或者關(guān)斷情況，DC/DC控制級(jí)可以在PFC輸出電壓下降到額定值的47%時(shí)才關(guān)斷，減小了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)電路的影響。    PFC電路功率因數(shù)校正主要是PFC電壓調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)，電壓調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)如圖5所示，電壓調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)不僅僅需要提供電路的穩(wěn)定性，而且

10、必須衰減二次諧波對(duì)THD的影響。電流調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)如圖6所示，與電壓調(diào)節(jié)環(huán)不同的是，電流調(diào)節(jié)環(huán)的帶寬必須足夠大，以使PFC電流能夠緊跟輸入電壓的變化。    DC/DC部分采用具有電流前饋環(huán)節(jié)的電流控制模式。電流控制模式由于電流環(huán)的前饋?zhàn)饔茫拐麄€(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)單極點(diǎn)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)環(huán)就相對(duì)容易穩(wěn)定。充電器的恒流恒壓輸出都通過DC/DC的輸出來實(shí)現(xiàn)，所以DC/DC部分的控制回路必須要有兩個(gè)并聯(lián)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：電流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)的參考值都由單片機(jī)提供，電路如圖7所示。    (2)單片機(jī)部分及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)  

11、60; 在整個(gè)智能管理系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制者，起著非常重要的作用。它必須能夠根據(jù)電壓、電流采樣，判斷電池目前所處的狀態(tài);針對(duì)不同的狀態(tài)，決定允許哪些操作，禁止哪些操作，并通過液晶顯示告知用戶;在電池狀態(tài)不正常時(shí)，它應(yīng)該能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且通過報(bào)警手段提醒操作人員的注意。    圖8為電池組部分及其控制電路的示意圖。由于電池電壓不可能完全放完，因此單片機(jī)通過電池組的端壓穩(wěn)壓后供電。電池為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在電池的最負(fù)端接一個(gè)阻值很小的電流采樣電阻，由于電池組既可以充電也可以放電，因此電流采樣電阻上的電壓可正可負(fù)，需要有一個(gè)絕對(duì)值放大電路來放大正負(fù)電壓。絕對(duì)值放大電路見圖 9。每節(jié)電池的正端都有電壓采樣點(diǎn)，通過電壓跟隨器將電壓信號(hào)輸送到AD轉(zhuǎn)換器的其中一個(gè)通道。使用電壓跟隨器可以使輸入阻抗無窮大，從而減小對(duì)電池電流的抽取，減小電池?zé)o謂的功耗，增加電池的使用時(shí)間。