基于可編程邏輯的便攜式設(shè)備多節(jié)鋰聚合物電池管理

2 平衡充電
平衡充電是所有鋰電池組所需要的充電方式，但是很多小功率的應(yīng)用中實(shí)際是沒有平衡充電的，如大多數(shù)的筆記本電腦電池組，這樣做實(shí)際上對(duì)電池壽命的影響是相當(dāng)大的。

現(xiàn)有的均衡技術(shù)主要分為電池間能量傳遞均衡和外部能量輸入均衡。電池間能量均衡就是把高電量電池的能量給低電量電池充電。這種方法最大的問題就是控制起來很復(fù)雜。

現(xiàn)在很多專用芯片或者單片機(jī)解決方案使用的是外部均衡的方式，這種方式是通過可控制的耗能來實(shí)現(xiàn)的。這種方式中一般都是使用一個(gè)耗能元件來消耗能量，從而等待其他電池單元充滿或者降低某些單元的電壓。這種方案的缺陷在于穩(wěn)壓二極管上的耗能太大，造成的發(fā)熱量是不能忍受的。

圖4 實(shí)際充電方式圖

實(shí)際使用的充電方式如圖4所示，當(dāng)然，這只是一個(gè)示意圖，不包括電流檢測(cè)電路（輸入到變壓器之間）和電壓檢測(cè)電路（變壓器次級(jí)繞組）。其中，開關(guān)陣列是用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)。

這種做法，管子都工作在開關(guān)狀態(tài)，耗能很少，另外電池沒有串聯(lián)二極管，可以獲得最大輸出。不足之處還是電路比較復(fù)雜，由于要匹配每個(gè)電池的電壓，所以要求輸入充電電路是隔離的。這里采用T1變壓器作為隔離，因?yàn)殚_關(guān)頻率可以做得很高，T1變壓器的體積很小。

整個(gè)充電電路工作在開關(guān)狀態(tài)，不再添加任何的控制模塊，由FPGA直接控制場(chǎng)效應(yīng)管，電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)電路的輸出也轉(zhuǎn)化為開關(guān)量直接傳給FPGA。
充電分為四個(gè)步驟：
a) 檢測(cè)是否有電池單體低于2.5V，如有，使用5%的占空比對(duì)低于2.5V的電池輪流充電，使其升壓到2.5V；
b) 打開J1和J8，對(duì)整體進(jìn)行大電流充電，同時(shí)測(cè)量電池單體的電壓，如果有電池單體達(dá)到4.2V，進(jìn)入下個(gè)步驟；
c) 逐漸降低占空比，使單體電池的最高電壓維持在4.2V，直到占空比5%；
d) 對(duì)未到4.2V的電池進(jìn)行輪流充電，當(dāng)占空比均下降到5%時(shí)，充電結(jié)束。
這里需要說明的是，a)和d)步驟中輪流充電是通過開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)的，并且輪流充電并不會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，這是因?yàn)榇藭r(shí)的占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25%，可以在一個(gè)充電周期內(nèi)分別給四個(gè)電池充電。

3 過流和低壓保護(hù)
為了保證電池組的絕對(duì)安全，電池組的過流和低壓保護(hù)是獨(dú)立設(shè)置的，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)可直接切斷電池組的輸出，這種類型的電路也非常普遍，這里不再贅述。
另外需要說明的是，控制系統(tǒng)里面也含有非易失存儲(chǔ)器和電池輸出探測(cè)電路，當(dāng)探測(cè)到保護(hù)電路動(dòng)作的時(shí)候，當(dāng)前的信息將保存到非易失存儲(chǔ)器中，以供日后分析。

總結(jié)
多節(jié)鋰電池組成電池組是現(xiàn)在便攜式較大功率設(shè)備的必然選擇，如何管理和維護(hù)這個(gè)電池組使其高效長(zhǎng)壽命地工作也是擺在電子設(shè)計(jì)師面前的任務(wù)。

本文提供了一個(gè)新思路，即采用簡(jiǎn)單而精確的電路，將復(fù)雜的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而簡(jiǎn)化外部電路的設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的充電時(shí)序控制交給可編程邏輯來處理。這樣做不僅非常靈活，精度高，而且還降低了成本。