智能鋰電池充電器的設計與實現

范雪，張愛良

（無錫工藝職業技術學院電子信息系，江蘇宜興214206）

傳統鉛酸蓄電池在電動車及機動車中應用范圍最廣，但其重量大、環保性差、充放電存在記憶性及易失水、漏液導致失效、耐用性差等缺點使其在使用過程中存在短板，因此，節能環保的鋰電池已經有逐漸取代蓄電池的趨勢[1]。文中針對中小容量型12 V鋰電池設計一款智能充電器。

1 鋰電池理論知識

鋰電池充電最經典的理論是馬斯三定律，目前，針對各種類型的鋰電池充電器的設計都以此為基礎進行研究[2]。其中，

1）對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比a與電池放出的容量的平方根成反比；

2）對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數成正比；

3）蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個放電率下的允許充電電流的總和。

綜合上述3點，可以得出如圖1所示曲線，隨著充電時間的推移，電池飽和度增加，可接納的充電電流也隨之下降，直到充電電流降至設定閾值后，進入維護充電或脈沖充電過程，對充電器進行點滴補償，直至電池完全充滿。圖1為鋰電池的充電性能曲線。

圖1 鋰電池充電性能曲線

2 鋰電池充電器軟件設計

2.1 鋰電池充電器設計分析

由于鋰電池與鉛酸蓄電池的化學性能有極大的不同，因此，對同樣容量及額定電壓的鋰電池與蓄電池，充電電流、充電電壓、充電效率及充電時間等性能有極大區別。目前，市場上針對蓄電池的充電器種類比較多，但蓄電池充電器不能直接對鋰電池進行充電，否則會對鋰電池造成永久性傷害。而鋰電池充電作為一種新興技術，在充電器設計及研發方面均有待提高。文中針對鋰電池的特殊性能，設計出一款智能、高效、快速、安全的鋰電池充電器。

2.2 充電曲線設計

鋰電池充電器的充電流程主要包含恒流充電、恒壓充電及脈沖充電3部分，并在充電初始階段進行電池評估，充電結束后進行電池性能判斷及維護。在充電過程中，充電電壓及電流根據電池實時狀態進行動態調整，以期維持電池性能動態平衡過程。充電器的電壓與電流輸出是由硬件控制，但動態平衡調整則由軟件來完成。本系統智能充電器的充電流程如下：

1）電池評估階段：充電器上電后，打開充電開關，進入電池評估階段；讀取當前電池電壓，判斷電池電壓是否低于閾值，如果低于設定閾值，則充電器首先進行一段保護充電過程，直到電池電壓高于閾值后，停止充電一段時間，重新開始進行1）。對12 V充電器，閾值一般選擇10 V。

2）恒流充電：恒流充電是鋰電池充電過程的主要部分，充電電流一般選擇0.2 C左右，這個電流也是保護電池特性與保證充電安全的最佳值。一般選擇充電3個小時，可以將電池充電至70%以上，保證電池容量的最大化；當電池電壓達到13 V時，充電流程跳出恒流充電，進入3）。

3）恒壓充電：充電器輸出電壓為13 V，此時，電流逐漸減小，直至減小到0.01 C左右，充電結束，可保證電池充電至少至95%以上，進入4）。

4）脈沖充電：電池此時已接近充滿，為避免充電器斷開后電池自放電導致的電池容量損耗，充電器每隔一段時間關閉繼器，以小電流為其脈沖充電，以保證電池容量充足。該過程持續10小時后，充電器斷開，進入步驟5）。

5）維護充電：充電器此時進入睡眠狀態，僅電池電壓采樣AD端口間隔時間工作，當電池電壓值低于12.5 V以下時，充電器重新喚醒，充電流程重新進入1）。圖2為智能充電器的充電曲線示意圖。

圖2 鋰電池充電曲線

2.3 充電流程

12 V鋰電池在充電過程中的最高電壓為14.2 V，與傳統的鉛酸蓄電池的額定電壓14.4 V稍低；并且最大充電電流不超過0.2 C，防止過壓過流導致鋰電流內部離子失衡而引起電池失效。

在充電過程中，恒流充電至電池容量的50%～70%時，充電流程可轉變為恒壓充電模式，此時，電流逐步下降，當充電至95%左右時，可停止充電。此時，充電的主要流程結果，采用補充維護充電或脈沖充電來繼續增加電池容量，直至100%。

在充電過程中，如果遇到失效電池，即電池電壓已不受充電器控制，在電池恒壓充電后，可在一段時間內判斷電池是否失效；若電池初始電壓不足，則需要用小電流持續充電，直到電池電壓超過一定值，再重新充電。

鋰電池充電器在充電過程中，不僅時刻監測電壓、電流值，并且具有溫度保護與過壓過流保護功能，通過溫度值與電壓電流值的采集，與控制器內設定閾值比較，達到充電流程與反饋相結合，再經過調整匹配，達到最佳充電狀態。圖3是文中介紹的充電器的充電流程。

3 鋰電池充電器硬件設計

3.1 電源管理芯片

充電器電源管理IC部分[8]選用性能豐富、功率范圍寬的集成離線式開關IC TOP 258EN，主要用于充電器的反接保護、電池低電壓保護及電池過電壓保護等。充電器輸入電壓范圍可達190～253 V，芯片通過調節

MOS管的PWM占空比來控制輸出與關斷，圖4為電源管理芯片原理圖。

3.2 充電器控制器

智能鋰電池充電器控制器[6]采用Atmel公司生產的ATmega88p，內部時鐘選用1 MHz，AD采樣精度達10位，內部芯片工作電壓設為5 V。芯片可選空閑工作模式、省電模式和掉電模式等，可通過USART串口與電腦相連，也可在線調試下載程序。圖5為微處理器芯片的原理圖。

圖3 鋰電池充電流程

圖4 電源管理芯片

圖5 充電器控制芯片原理圖

3.3 穩壓電源電路

出于安全及充電穩定性的需求，鋰電池充電過程中反饋信息的準確性十分重要，對鋰電池的電流、電壓、當前溫度、空載狀態等信息的數據采集要穩定可靠，因此，充電器采用ADR3425穩壓源控制AD的參考電壓，ADR3425穩壓源的輸入帶寬范圍比較大，輸出為2.5 V直流電壓，作為控制器ADC的參考電壓，穩定可靠。圖6為鋰電池充電器的穩壓源電路的設計部分。

圖6 AD穩壓電源電路

4 充電流程

4.1 充電曲線

選用容量為16 Ah的鋰電池，通過放電將電池初始電壓值設置為12.9 V，靜置8小時，通過智能鋰電池充電器充電，圖7為鋰電池充電的電壓電流值曲線。

圖7 智能鋰電池充電流程

4.2 充電控制界面

在鋰電池的充電測試過程中，對充電流程的判斷及報警處理，測試者很難直接觀察到，鋰電池充電器利用visual studio2015設計一款上位機監控系統，可實時將充電步驟及充電過程中產生的問題通過USART串口傳輸到監控界面，方便測試人員直接觀察充電現象。圖8為充電器的上位機監控界面。

圖8 鋰電池充電器監控界面設計

5 結論

文中通過對鋰電池及智能充電的研究，設計一款可在線調試與下載程序的智能鋰電池充電器，對充電器的硬件進行了選擇與設計，并重新設計充電流程；智能充電器通過閉環拓撲反饋控制，實時動態調整充電電壓與充電電流。實驗結果表明：該智能充電器充電過程完整，適合工業批量生產。

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