磷酸鐵鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析[1]

1、機(jī)電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期磷酸鐵鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析貝天寶(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 , 廣東廣州 510090 收稿日期 :2008-06-06, 而且還關(guān)系著鋰電池的安全問(wèn)題 。 , 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的充電電路的正確性 。 , 采集了充電狀態(tài)下鋰電池電壓的變化情況 , 充電電路 ; 充電特性文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1009-9492(200812-0062-031引言自 1990年 日 本 SONY 公 司 研 制 成 功 小 功 率 鋰 離 子 電池以來(lái) , 鋰離子電池作為一種新型的高新能蓄電池 , 與傳統(tǒng)的二次電池相比 , 有著突出的優(yōu)點(diǎn) 。 鋰離子電池的

2、工作電壓是 3.6V , 是鎳鎘和鎳氫電池工作電壓的三倍 , 因此也只能用鋰離子電池專(zhuān)用充電器來(lái)充電 , 以免發(fā)生事故 。 2002年 后 新 推 出 的 磷 酸 鐵 鋰 電 池 是 用 磷 酸 鐵 鋰 (LiFePO 4 材料作電池正極的鋰離子電池 , 由于磷酸鐵耐 高溫 、 遇熱不分解 , 在電池過(guò)充或短路的情況下其特性極 其穩(wěn)定 , 安全性極好 , 對(duì)環(huán)境無(wú)污染 , 是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池 。 2鋰電池充電特性由于鋰離子電池的特殊材料特性 , 鋰離子電池的充電方式和一般的可充電電池的充電方式不同 。 鋰離子電池的充電方式通常分為以下三個(gè)階段 。1 預(yù)充階 段 。 當(dāng) 電 池 電

3、壓 降 到 某 一 規(guī) 定 的 值 時(shí) , 充電器對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電 。 主要是避免電池在低壓時(shí)大電流充電對(duì)電池壽命造成的影響 。2 恒流充 電 階 段 。 當(dāng) 電 池 電 壓 達(dá) 到 恒 流 規(guī) 定 的 門(mén) 限值的時(shí)候 , 充電器便進(jìn)入第二階段 , 即恒流充電階段 。 3 恒壓充 電 階 段 。 隨 著 電 池 充 電 的 進(jìn) 行 , 當(dāng) 電 池 的電壓達(dá)到恒壓門(mén)限電壓時(shí) , 其充電量接近其容量的 40%70%, 為 了 進(jìn) 一 步 充 滿(mǎn) 電 池 , 充 電 器 進(jìn) 入 恒 壓 充 電 階 段 。 在恒壓充電階段 , 當(dāng)充電電流逐漸下降到低于電池的 0.1C 時(shí) , 充電周期完成 。 磷酸鐵

4、鋰電池作為鋰電池的一種 , 其充電特性也完全 符合以上特性 , 由于其能量密度較其 它 類(lèi) 型 的 鋰 電 池 低 ,所以其最高充電電壓為 3.6V , 標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是 3.2V , 截止 放電電壓是 2.05V 。 而一般的鋰電池最高充電電壓為 4.2V , 標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為 3.6V 。 為此磷酸鐵鋰電池的充電電路也不 同于一般的鋰電池充電電路 。 3充電電路的設(shè)計(jì) 綜合前面所述的磷酸鐵鋰電池特性 , 本文采用線(xiàn)性充電的方式來(lái)設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰電池的充電電路 。 線(xiàn)性充電方式就是在鋰電池充電的各個(gè)階段 , 通過(guò)調(diào)整外部調(diào)整管 (功率晶體管 , 以合適的電流給 電 池 充 電 , 該 方 式 的 優(yōu)

5、 點(diǎn) 在于具有限流功能 , 不需要外部限流配適器 1。 圖 1是以線(xiàn) 性充電的方式的原理圖和充電電壓變化曲線(xiàn)示意圖 。 圖 2是按照線(xiàn)性充電方式來(lái)設(shè)計(jì)的單個(gè)磷酸鐵電池充 電電路圖 , 其中包括保護(hù)電路 。以上充電電路的主要部分是電源控制芯片 CN30602, 它是專(zhuān)門(mén)為單個(gè)磷酸鐵鋰電池而設(shè)計(jì)的線(xiàn)性充電芯片 , 利用內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電 。當(dāng)電池電壓檢測(cè)輸入端 (FB 的電壓低于 2.05V , 充電電路用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電 , 以保護(hù)電池 。 當(dāng)電池 圖 1線(xiàn)性充電原理圖和充電曲線(xiàn)研機(jī)電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期圖 2充電電路原理圖電壓檢測(cè)輸入端 (FB 的電壓超

6、過(guò) 2.05V 時(shí) , 充電器采用 恒流模式對(duì)電池充電 , 充電電流由 ISET 管腳和 GND 之間 的電阻確定 。 當(dāng)電池電壓檢測(cè)輸入端 (FB 的電壓接近電 池端設(shè)定 3.6V 電壓時(shí) , 充電電流逐漸減小 , CN3060進(jìn)入 恒壓充電模式 。 當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值 (恒流充 電 電 流 的 10% 時(shí) , 充 電 周 期 結(jié) 束 , 端 輸 出 高 阻 態(tài) , 端開(kāi)始輸出低電平 , 表示充電周期結(jié)束 。 如果 要開(kāi)始新的充電周期 , 只要將輸入電壓斷電 , 然后再上電 就可以了 。 圖 3所示是芯片的引腳圖 。4保護(hù)電路設(shè)計(jì)鋰離子電池電路至少需要三重保護(hù) :過(guò)充保護(hù) 、 過(guò)放

7、 保護(hù)和短路保護(hù) 。當(dāng)外部充電器對(duì)鋰電池充電時(shí) , 為防止溫度上升所導(dǎo) 致 的 電 池 內(nèi) 壓 上 升 , 需要終止充電 。 此時(shí) 保護(hù)電路需要檢測(cè)電 池電壓 , 當(dāng)電壓達(dá)到 3.65V 時(shí) , 即 啟 動(dòng) 過(guò) 度充電保護(hù) 。 為了防 止 鋰 電 池 的 過(guò) 放 電 , 當(dāng)鋰電池電壓低于其 過(guò) 放 電 電 壓 檢 測(cè) 點(diǎn) 2.0V 時(shí) , 將 啟 動(dòng) 過(guò) 放保護(hù)電路 , 截止放 電并將電池保持在低 靜 態(tài) 電 流 的 待 機(jī) 模 式 。 該功能有電源控制芯片 CN3060實(shí)現(xiàn) 。過(guò)流或短路保護(hù)主要是為了防止某些不明原因造成過(guò) 電流或短路 。 保護(hù)電路工作原理是 :當(dāng)放電電流過(guò)大或者 短 路 情

8、 況 發(fā) 生 , 保 護(hù) 電 路 開(kāi) 啟 電 流 檢 測(cè) 功 能 。 將 功 率 管 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的電阻當(dāng)成感應(yīng)阻抗 , 通過(guò)檢測(cè)其導(dǎo)通時(shí) 壓降的情形 , 來(lái)判斷電路是否過(guò)流 , 如果比所定的過(guò)電流 檢測(cè)電壓還高則停止放電 。 保護(hù)電路主要由芯片 FS326來(lái) 實(shí)現(xiàn) 3, 圖 4是芯片的外形圖和引腳說(shuō)明 。從圖 2可以看出 , 過(guò)流或者短路保護(hù)主要是通過(guò)檢測(cè) 保 護(hù) 芯 片 的 CSI 引 腳 上 的 電 壓 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 , 如 果 當(dāng) 檢 測(cè) 到 CSI 引腳的電壓超過(guò)內(nèi)置的固定電壓 (FS326保護(hù) IC 的內(nèi) 置 電 壓 是 150mV±30mV, 說(shuō) 明 電 池

9、放 電 電 流 過(guò) 大 , 這 時(shí) 保護(hù) IC 控制引腳 OD 輸 出 低 電 平 , 關(guān) 斷 功 率 管 MOSFET , 停止電池放電 , 保護(hù)電池 。 設(shè) CSI 引腳的檢測(cè)電壓為 V CSI , 則有 :V CSI =2×R DS (ON ×I ,其中 :V CSI 表示 CSI 引腳的電壓 ; R DS (ON 表示調(diào)整管 的導(dǎo)通電阻 ; I 表示限流電流 。設(shè)計(jì)電 路 的 過(guò) 流 保 護(hù) 為 1.5A , 保 護(hù) IC 的 內(nèi) 置 電 壓 是 150mV±30mV, 則 所 需 要 的 功 率 管 MOSFET 的 導(dǎo) 通 電 阻 R DS (ON 為

10、 :R DS (ON =V CSI =150=50m 。通過(guò)以上計(jì)算 , 選擇功率管 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 R DS (ON 為 50m 左右 。 選用場(chǎng)效應(yīng)管 AO4405來(lái)實(shí)現(xiàn) , 該場(chǎng)效應(yīng) 管的 R DS (ON 典型值為 55m 。5充電電路的實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)論充電 電 路 的 實(shí) 驗(yàn) 和 數(shù) 據(jù) 采 集 主 要 是 通 過(guò) 51系 列 單 片 機(jī)在充電狀態(tài)下 , 對(duì)電池的電壓進(jìn)行采集 , 來(lái)觀(guān)察電池電 壓的變化情況和充電電路的正確性 。 圖 5是簡(jiǎn)單的充電電 路實(shí)驗(yàn)照片 , 其中包括采集電路 、 充電電路和單個(gè) 18650號(hào)磷酸鐵鋰電池 。采 集 模 塊 主 要 是 由 51系 列

11、的 STC12C2052AD 單 片 機(jī) 組成 5, 內(nèi)置 8位的 8通道 AD 轉(zhuǎn)換器 , 單片機(jī)的基準(zhǔn)電 壓是 5V , 采集的電壓范圍是 05V, 電池的充電電壓是 0 4V , 不超出采集范圍 。 由于采集的是未處理過(guò)的十六進(jìn)制 數(shù)據(jù) , 所以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) matlab 軟件適當(dāng)?shù)奶?理 后 ,圖 3芯片引腳圖圖 4FS362A 的引腳說(shuō)明機(jī)電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期備了從二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)的升級(jí) , 主要產(chǎn)品的三維模型已經(jīng)開(kāi)始建立 , 如圖 2所示 。 通過(guò)三維造型 , 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路更為直觀(guān)和便于驗(yàn)證 , 再加上軟件具有的裝配干涉檢查等功能 , 使得設(shè)計(jì)工作如虎添翼 。

12、 3 再次 , 設(shè) 計(jì) 部 門(mén) 和 工 藝 部 門(mén) 具 備 了 信 息 融 合 的 條 件 , 設(shè)計(jì)部門(mén)的三維模型可為工藝部門(mén)數(shù)控編程提供支持 。 4 最 后 , CAD /CAM 系 統(tǒng) 為 今 后 企 業(yè) 級(jí) 的 信 息 整 合(PDM 打下了良好的基礎(chǔ)和鋪墊 。 通過(guò)一年多的應(yīng)用 , 基于 UG 技術(shù) 的 CAD /CAM 系 統(tǒng) 在實(shí)際使用中充分證明了自身的價(jià)值 , 公司的信息化水平 整體向前邁進(jìn)了一大步 , CAD /CAM 系統(tǒng)的應(yīng)用更在 公 司 技術(shù)人員中得到了良好的反響與支持 , 設(shè)計(jì) 、 制造模式已經(jīng)在不知不覺(jué)中上了一個(gè)新的臺(tái)階 。4結(jié)束語(yǔ)回顧東方重機(jī)構(gòu)建 CAD /CAM

13、系統(tǒng)的過(guò)程 , 從項(xiàng)目調(diào)研 、 立項(xiàng) 、 實(shí)施都比較順利 , 成功的因素可總結(jié)為以下幾點(diǎn) :一是規(guī)劃合理 ; 二是項(xiàng)目組 織 到 位 ; 三 是 領(lǐng) 導(dǎo) 重 視 ;四是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)工作得力 ; 五是軟件系統(tǒng)選擇正確 。 以上缺了任何一條 , 都會(huì)對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施帶來(lái)障礙 。參考文獻(xiàn) :1國(guó) 家 發(fā) 展 和 改 革 委 員 會(huì) . 核 電 中 長(zhǎng) 期 發(fā) 展 規(guī) 劃 (2005-2020年 R . 2007.2丁 祥 海 . 制 造 企 業(yè) 信 息 化 實(shí) 施 過(guò) 程 管 理 理 論 與 方 法 研 究D . 杭州 :浙江大學(xué) , 2004.第一作者簡(jiǎn)介 :婁方林 , 男 , 1975年生 , 貴州貴陽(yáng)

14、人 , 碩士 , 工程師 。 研究領(lǐng)域 :機(jī)械制造工藝技術(shù) 、 系統(tǒng)仿真等 。 已發(fā)表論文 1篇 。 (編輯 :王智圣 圖 2核島主設(shè)備 -蒸汽發(fā)生器 圖 5實(shí)驗(yàn)照片 圖 6充電電壓變化曲線(xiàn)圖(上接第 24頁(yè) 研 再通過(guò)以下計(jì)算公式計(jì)算出采集到的電壓 , 最后畫(huà)出其充電曲線(xiàn) 。V =D IN ×5/255,其 中 :D IN 表 示 采 集 到 數(shù) 據(jù) 所 對(duì) 應(yīng) 的 十 六 進(jìn) 制 值 ;V 表示電壓值 。根據(jù)計(jì)算后的數(shù)據(jù) , 畫(huà)出的曲線(xiàn)圖如圖 6所示 。 該曲線(xiàn)顯示的是磷 酸 鐵 電 池 充 電 時(shí) 的 電 壓 變 化 曲 線(xiàn) , 縱坐標(biāo)表示的是電池的電壓 , 橫坐標(biāo)表示的是采集

15、電壓數(shù) 據(jù) 的 個(gè) 數(shù) (約 30萬(wàn) 個(gè) 。 其 中 OA 段 表 示 的 是 涓 流 階 段 ,這時(shí)電 池 電 壓 低 于 2.05V 。 當(dāng) 電 池 電 壓 超 過(guò) 2.05V 時(shí) , 電路 開(kāi) 始 恒 流 充 電 , 在 圖 中 表 示 為 AB 段 。 B 點(diǎn) 的 電 壓 為 3.6V , 當(dāng)超過(guò) B 點(diǎn)電壓時(shí) , 開(kāi)始恒壓充電 。 在恒壓充電階 段 , 當(dāng)控制電路檢 測(cè) 到 充 電 電 流 小 于 1/10恒 流 充 電 電 流時(shí) , 關(guān)閉充電 , 顯示充電結(jié)束 。 用以上曲線(xiàn)對(duì)比圖 1曲可以得出 , 此設(shè)計(jì)的充電電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確 。參考文獻(xiàn) :1王 非 , 劉 昊 , 田 曉 明 . 手 持 終 端 設(shè) 備 中 的 鋰 電 池 充 電 技 術(shù)J . 電子器件 , 2004, 27(4:757.2安培磷酸鐵鋰電池充電器集成電路 CN3060Z . 深圳市科韻