三環控制鋰電池充電器的設計

徐穎晟 王志新 余俊宏 鄒建龍

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院1，上海 200240;嘉興清源電氣科技有限公司2，浙江 嘉興 314031)

0 引言

目前，鋰電池因其電壓高、循環性能好和無記憶效應等特點，被用作移動便攜式儀器的核心儲能裝置，而與之相匹配的鋰電池充電器也越來越被人們所重視。充電器的好壞不僅對儀器設備的性能有影響，而且對電池的壽命和設備工作效率也有影響。現在市面上較為典型的一種充電器是用一個專用集成芯片來控制充電電流、電壓的變化，這種充電方式的充電器雖然芯片體積小，但是也存在一些不足，如充電效率低、易發熱而降低電池壽命、控制精度低［1－2］等。針對集成芯片的發熱問題［3］，通常采用加入溫度保護模塊予以解決。

本文針對鋰電池的充放電特性及實際使用中的需求，選用新型的嵌入式處理器LM3S9B96為主控制器，克服了采用集成IC帶來的易發熱的問題。同時，在鋰電池充電過程中進行智能控制，嚴格控制充電電流、電壓、溫度等參數，從而提高了充電效率，實現了充電過程的數字化和智能化。

1 充電器的硬件設計

鋰電池充電器的硬件設計主要包括整流電路和充電器主電路(包括電源變換電路、采樣電路及保護電路等部分)。

1.1 PFC 電路

由于電力電子裝置和非線性負載的廣泛使用，電力系統電壓及波形容易產生畸變，從而產生大量的諧波，導致電源輸入功率因數降低，電網環境嚴重污染，用電設備所處環境惡化等問題。同時，也給周圍的通信系統和公共電網以外的設備帶來了危害［4］。為了克服以上問題，設計的鋰電池充電器采用功率因數補償(power factor compensation，PFC)電路進行交直流轉換，如圖1所示。

圖1 功率因數補償電路Fig.1 PFC circuit

圖1中:S1為雙向開關管。當開關管導通時，輸入電流先后流經電感和開關管，對電感進行儲能，同時直流側濾波電容給負載供電;當開關管斷開時，輸入電流經過電感和整流二極管到達負載端，電感儲能和交流電源同時給負載和電容供電。該電路使用平均電流控制模式［5］，可以消除許多嚴重問題，諸如較差抗噪聲能力、斜坡補償以及峰值平均電流誤差等［6］。

1.2 充電器主電路

1.2.1 DC/DC 電源變換電路

在給鋰電池充電的過程中，充電器通過改變充電電壓和電流來實現不同的充電策略［7］。DC/DC雙管正激電路如圖2所示。在考慮電壓、電流影響的同時，也將溫度控制放入了充電策略中。正激電路的優點是可以提高效率、降低設計的復雜性［8－9］。

圖2 雙管正激電路Fig.2 Double-tube positive excited circuit

圖2 中:Uin為輸入電壓;D1、D2、D3、D4為續流二極管。

DC/DC雙管正激變換器的工作原理是:當PWM輸出高電平時，MOSFET管導通，電流流經晶體管和電感到達電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電;當PWM輸出低電平時，MOSFET關斷，電流經續流二極管續流，電感電壓反向，電感、電容作為濾波器輸出電壓電流［10］。

1.2.2 采樣電路

采樣及保護電路如圖3所示。

圖3 采樣及保護電路Fig.3 Sampling and protection circuit

圖3中:R3=10 kΩ，為精密電阻;R4為 NTC-10KPX3-42H-S1熱敏電阻。

采樣包括對充電電流、充電電池端電壓和電池溫度的采樣。采樣的電壓、電流和溫度經過ADC模塊發送到LM3S9B96控制芯片中，由LM3S9B96對數據進行分析與處理。

①電壓采樣電路

鋰電池充電電壓檢測采用電阻分壓原理。電壓采樣電路通過1個10 kΩ和1個2 kΩ的滑動變阻器分壓，將檢測電壓轉換為0～3 V的電壓。保護電路由RC電路和嵌位二極管組成，采集的電壓信號經過保護電路后導入AIN0口，以保證A/D口不會因為流經電壓太大而致使芯片被燒毀。

②電流采樣電路

電流采樣不外加傳感器，通過1個傳感電阻把流過電池的電流轉換為電壓后，再經ADC轉換取樣。根據功率計算公式P=I2R可知，若傳感電阻R越大，消耗的功率也就越大，從而導致傳感電阻本身發熱嚴重。因此，傳感電阻取值設計為0.1 Ω，經MCP6031運算放大器電壓放大到3 V左右，再通過保護電路，最終傳送到AIN1管腳。

③溫度采樣電路

溫度控制對于鋰電池充電器而言非常重要，這是因為充電過程中電池溫度過高，可能導致鋰電池發生永久性損壞，甚至發生爆炸現象。基于以上因素的考慮，設計的鋰電池充電器加入了溫度控制環路，并采用運放AD823進行電壓跟隨，運放輸出后經過RC濾波及鉗位保護電路接入AIN2口，進行數模轉換。溫度傳感器使用熱敏電阻，選用的熱敏電阻型號為 NTC-10KPX3-42H-S1。該熱敏電阻為負溫度系數直插類型，25℃時電阻為10 kΩ，精度為1%。

2 充電器的軟件設計

2.1 DK-LM3S9B96 簡介

本文采用LM3S9B96芯片作為中央處理器。該芯片包括1個低壓降的穩壓器，集成掉電復位和上電復位功能以及16 bit的ADC、DMA、GPIO等各種豐富的外設功能，可直接通向GPIO管腳。LM3S9B96芯片有2路ADC，即ADC0和ADC1。ADC0和ADC1都有16位輸入，即AIN0～AIN15，這十分適合所設計的鋰電池充電器。從采樣電路處實時采集到的充電電壓、電流及溫度信息，通過 AIN0、AIN1和AIN2口送入處理器，再通過計算決定下階段的充電電流，并利用PWM信號控制充電電流。

2.2 軟件程序設計

本次設計的鋰電池充電器主要采用分時處理模式，由電池電壓采集模塊、電池電流采集模塊和溫度采集模塊組成。充電器流程圖如圖2所示。

系統啟動時先檢測電壓端電壓值，如果符合充電要求，則繼續充電，否則終止充電。充電器的充電控制單元LM3S9B96通過檢測電池端電壓值來選擇進行哪一階段的充電模式。

由于鋰電池在溫度高時工作效率和壽命都受很大影響，并且可能發生爆炸，因此，本次設計的鋰電池充電器著重在恒定電流充電、恒定電壓充電兩個充電狀態檢測電池的本身溫度，再選擇充電模式。當溫度超過給定的溫度值時，就停止工作;當溫度低于給定值時，則繼續進行充電。

3 試驗結果及分析

對基于微處理器DK-LM3S9B96控制的鋰電池充電器的關鍵參數電壓和電流進行測試，并針對24 V/40 Ah鋰電池進行試驗，采用的電壓表、電流表型號為VICTOR-VC890D，示波器型號為 TDS2024C。實際測得的鋰電池充電過程測試數據如表1所示。

由表1可知，在充電初期，鋰電池組處在深度放電狀態，需要進行預充電，由DK-LM3S9B96控制的PWM波產生小電流進行充電，這段時間鋰電池電壓緩緩上升，時間間隔取20 min。隨后，在各節電池電壓達到最低充電門限電壓后，進入6 A電流值恒流充電模式，此過程中的數據記錄間隔為30 min。當單節鋰電池電壓達到最高充電門限電流時，鋰電池兩端電池已經基本穩定，但是鋰電池的電流還沒減小到設定值，當電流減小到接近600 mA時，充電結束。

表1 鋰電池的充電記錄Tab.1 The charging records of the lithium battery

4 結束語

本文采用DK-LM3S9B96作為核心處理器，以鋰電池為應用對象，設計了三環控制的鋰電池充電器，并制造搭建了樣機。

試驗表明，本次設計的充電器具有以下優點:硬件電路和軟件相結合，采用數字控制技術，大大提升了系統的穩定性及可靠性;與單獨采用芯片控制的充電器相比，本次設計的充電器使用微處理器來控制電路，既提高了控制精度，又改善了散熱性能。

［1］葉文，李芳，李家慶，等.基于HT46R24的太陽能智能充電器研制［J］.自動化儀表，2010，31(5):59 －61.

［2］曾素瓊.基于AT89C52和IW1692的智能開關電源設計與研究［J］.低壓電器，2009(13):41－44.

［3］周祖德，徐超.全CMOS三段式鋰電池充電器設計［J］.武漢理工大學學報，2006，28(4):23 －25.

［4］張凱，石俊杰.基于BOOST結構下不連續導電模式的PFC電路［J］.通信電源技術，2002，2(1):5 －8.

［5］ Gallo C A，Correa P J A，De F L C，et al.Soft-switched PWM highfrequency with PFC converterusing boost-flyback converter interleaved［C］//Telecommunications Energy Conference，2002:356－360.

［6］ Rossetto L，Spiazzi G，Tenti P.Control techniques for power factor correction converters［EB/OL］.［1994 － 09 － 12］.http://space.dianyuan.com/blog/u/51/1174286041.pdf.

［7］ Chen Boyuan，Lai Yenshin.New digital-controlled technique for battery charger with constant current and voltage control without current feedback［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronic，2012，59(3):1545－1553.

［8］范景林，蔡芃芃.基于ICE1CS02的PFC+PWM電路設計［J］.電子設計工程，2012，20(3):172 －174.

［9］何占寧，夏東偉，劉玉朋.光伏發電用推挽正激升壓電源的研究［J］.通信電源技術，2012，29(1):5 －7.

［10］閆之峰，馬曉軍，魏曙光.雙管正激電路的ZVT技術研究［J］.電力電子技術，2008，42(6):33 －35.