智能追光鋰電充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰電池充電原理

（1）鋰電池充電要求

鋰電池的充電要求有：

①　終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。

②　充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時(shí)，因充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一定的能量損失。

③　鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會(huì)使溫度過高。不僅會(huì)損壞電池，而且可能引起爆炸。

④　鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴(yán)重過放電可能造成鋰離子電池失效。對(duì)過放電的電池充電可以通過預(yù)處理進(jìn)行補(bǔ)救，當(dāng)鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。

鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護(hù)板，鋰電池保護(hù)板詳細(xì)資料請(qǐng)參見附錄一。

（2）恒流充電

采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個(gè)充電過程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖5所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。

圖5 恒流充電

（3）恒壓充電

在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免使電池過充電。實(shí)際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會(huì)升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。

圖6恒壓充電

（4）恒流恒壓充電

在上述兩種充電方式的基礎(chǔ)上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時(shí)，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。

圖7 恒流恒壓充電

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證

1、總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有追光控制、電壓轉(zhuǎn)換、光耦開關(guān)控制、充電控制、照明燈控制和上位機(jī)界面控制六個(gè)部分組成，以追光及充電作為本系統(tǒng)的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結(jié)合溫度檢測(cè)，光耦等控制，實(shí)現(xiàn)了智能充電的功能，并能有效的保護(hù)鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能。基于太陽能電池板輸出電壓的變化，考慮選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調(diào)節(jié)。在照明燈狀態(tài)控制部分，使用光敏電阻來檢測(cè)外界光線強(qiáng)弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)照明燈的亮度。上位機(jī)控制臺(tái)用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人工管理。

2、詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）鋰電池及太陽能電池選擇

①鋰電池選擇

基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態(tài)鋰電池的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，不會(huì)爆炸，只會(huì)鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內(nèi)阻小，比常規(guī)電池內(nèi)阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態(tài)電解質(zhì)，具有更平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)；工作電壓高；能量密度高；循環(huán)壽命長；無記憶效應(yīng)，自放電小，無污染。

適用范圍：通訊設(shè)備（移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對(duì)講機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)），移動(dòng)辦公設(shè)備（筆記本計(jì)算機(jī)、PDA、便攜式傳真機(jī)、打印機(jī)），影像設(shè)備（數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、移動(dòng)DVD、移動(dòng)電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。