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

引言

　　鋰電池具有體積小、比能量大、壽命長(zhǎng)、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(shì)。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。

　　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(cè)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(cè)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(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)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(cè)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：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(jī)指標(biāo)，開關(guān)電源的最大輸出功率達(dá)到了POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W，假設(shè)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(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(jiǎn)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。