鋰電池的開關電源式智能管理系統(tǒng)設計

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。短短幾年時間里，已廣泛應用于筆記本電腦、手機、便攜式DVD及VCD等設備上，并且隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，還有進一步優(yōu)化的趨勢。鋰電池具有這么多的優(yōu)點，同時它的制造成本卻相對低廉，因此是未來最有前途的便攜性電池。

　　對于便攜性電池，人們希望在獲得大容量電能的同時，能夠盡量減輕系統(tǒng)的重量，增加電池的效率和壽命。另外由于便攜式設備的散熱條件一般比較差，所以對整個電源系統(tǒng)的效率也提出了較高的要求。

　　開關電源最大的特點是效率高。利用開關電源，可以很有效的減少大容量電池充電系統(tǒng)的功率損耗，從而大大降低整個系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文詳細分析設計了一種基于開關模式電源的鋰離子／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，我們使用目前應用最為廣泛的恒流恒壓充電方式，通過使用開關模式的電源來提供電池充電所需要的電壓和電流，并且應用單片機和一系列周邊電路來實現(xiàn)充放電的控制和對電池的保護功能。

　　利用單片機和開關電源相結(jié)合，我們就可以構(gòu)造出一個智能化的鋰離子／鋰聚合物電池智能管理系統(tǒng)：開關電源主功率回路負責將電能轉(zhuǎn)化成電池充電所需要的形式，同時應盡量提高效率，減小電壓電流紋波；單片機負責控制整個系統(tǒng)的運行，包括充電機參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護狀態(tài)時充電機的關閉，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)和實現(xiàn)對電池的一系列保護功能。

　　整個智能管理系統(tǒng)分為兩大部分：充電機和電池組。充電機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、檢測電路和單片機控制電路。這兩部分通過接口互相連接，能量從充電機傳往電池組，而控制信號一部分控制電池組的充放電回路的開通與關斷，另一部分則從電池組發(fā)送到充電機，控制充電機的啟動關閉和輸出恒壓恒流值。圖1為整個系統(tǒng)的框圖。

　　圖1充電機部分中，功率回路即為開關電源，它負責給電池進行充電，電源控制芯片接受從單片機傳來的恒壓恒流參考等控制信號，結(jié)合功率回路輸出的電壓電流反饋，實現(xiàn)電路在不同要求下的正確輸出。電池組部分中，單片機通過電壓檢測、電流檢測和溫度檢測等電路，實時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，何時應該結(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，及時采取保護措施，同時發(fā)出報警信號及顯示報警原因。外部控制可以預置恒壓恒流參考值，也可以對充放電過程進行人工干預。

　　2 電路設計

　　電路的設計包括充電機和電池組兩大部分。

　　1)充電機的設計

　　本文設計一個工頻輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流恒壓輸出的AC／DC開關電源。充電機的具體指標要求如下：輸入電壓：130～265Vac；輸出電壓Uo變化范圍：0～30Vdc；輸出恒流Io變化范圍：0～10A；輸出電壓紋波△Uppm：100mV。

　　根據(jù)上述的充電機指標，開關電源的最大輸出功率達到了POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W，假設電路效率η=80％，最大輸入功率為

由于功率較大，我們采用PFC+DC／DC的兩級模式，以增大電源功率因數(shù)，減小對電網(wǎng)的不良影響。

　　PFC部分采用應用最為普遍的Boost電路結(jié)合CCM平均電流模式來實現(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，從而使整個電路具有良好的PF效果，較小的THD含量，減小了變流器對電網(wǎng)的不良影響。

　　由于電路的最大輸出功率POMAX=300W，DC／DC部分的設計選擇功率容量較大、控制相對簡單的雙管正激拓撲(圖4)。該拓撲使用了兩個二極管來復位激磁電流，同時兩個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較低，導通電阻相對較小的開關管，有效的降低了電路的導通損耗。但是由于激磁電流必須在新開關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。