智能充放電系統(tǒng)講解

1、智能電池充、放電系統(tǒng)內(nèi)容摘要本文主要介紹常見可充電電池結(jié)構(gòu)和充電原理以及本智能電池充、放電系統(tǒng)的設(shè)計原 理、應(yīng)用方向。關(guān)鍵詞： 單片機(jī) PWM 恒參量充電 采樣、前言現(xiàn)在各種場合都存在可充電電池的應(yīng)用， 種類繁多， 而市面常見充電器功能比較單PULSE WIDE只能對特定種類的充電電池進(jìn)行充、放電操作，這就需要配備種類繁多、功能單一的充電 器，造成資源浪費和難于管理。本智能電池充、放電系統(tǒng)是基于脈寬調(diào)制（MODULATION PWM） 控制驅(qū)動 MOSFET原理，實現(xiàn)對鉛酸電池、鋰電池和鎳基（鎳氫、 鎳鎘）電池的快速恒參量（恒電流、恒電壓）充電控制。其控制核心采用AT89S51單片機(jī)及單片 C

2、MOS快速充電控制器 LTC1325CSW，利用軟件控制充電過程，能夠根據(jù)不同電池的 充電特性曲線對不同電池進(jìn)行充、放電控制。充、放電過程中通過ADC采樣實現(xiàn)對電池電壓、電池溫度、 環(huán)境溫度的反饋和充電時間的監(jiān)測， 使用閉環(huán) PWM控制， 當(dāng)達(dá)到規(guī)定值時， 結(jié)束充電狀態(tài)。并且可以對充電前和充電過程中發(fā)生的故障（電池倒置、短路）進(jìn)行檢測 和報警。系統(tǒng)采用模塊模式設(shè)計，可根據(jù)實際情況對充、放電功率MOSFET模塊進(jìn)行增減，以適應(yīng)不同工況下對電流的需求。由于采用軟件控制，可隨時通過軟件升級以適應(yīng)新增可 充電電池種類或優(yōu)化已有充電電池充電方法，真正實現(xiàn)多功能、通用型智能化充、放電系 統(tǒng)。二、常用可充電

3、電池原理及其充電方法2.1 鎳基電池2.1.1 鎳鎘電池鎳鎘電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物， 負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化 鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或者氫氧化鉀溶液。充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘電 池的電動勢可達(dá) 1.5V 左右，但很快下降到 1.31 1.36V 。當(dāng)鎳鎘電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電 時，平均工作電壓為 1.2V。采用 8h率放電時，電池端電壓下降到 1.1V 后，電池即放完電。在正常使用條件下，鎳鎘電池的容量效率?Ah 為 67%到 75，電能效率 ?Wh為 55到 65，循環(huán)壽命約為 2000 次。容量效率 ?Ah 和電能效率 ?Wh計算公式如下：I 放 t 放

4、 Ah II放 tt放 100I充 t 充U 充 I 充 t 充（U充和 U 放應(yīng)取平均電壓） 鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有被全部 放完就開始充電， 下次再放電時就不能放出全部電 量， 這種現(xiàn)象被稱為記憶效應(yīng)。 其主要原因是電池 部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完全變?yōu)闅溲趸嚕?剩余的氫氧化亞鎳將結(jié)合在一起，形成較大的晶 體。因此鎳鎘電池充電前應(yīng)進(jìn)行放電操作。圖 1 為鎳鎘電池以 1C 速率充電時電池電壓、 溫度曲線。圖 1 鎳鎘電池 1C 速率充電電池電壓、溫度曲線2.1.2 鎳氫電池 鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增 加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效 應(yīng)。鎳氫電池的正極板活

5、性物質(zhì)為NiOOH（放電時）和 Ni（OH）2 （ 充電時 ） ，負(fù)極板的活性物質(zhì) 為 H2（ 放電時 ） 和 H2O（充電時） ，電解液采用 30 的氫氧化鉀溶液。圖 2 為鎳氫電池以 1C速率充電時電池電壓、 溫度曲線。壓、溫度曲線2.1.3 鎳基電池充電方法鎳基電池的充電過程通常可分為： 預(yù)充電、 快速充電、 補(bǔ)足充電、 涓流充電四個階段。對長期不用或新的電池以及過放電的電池充電時， 一開始就用快速充電， 會影響電池 壽命。因此，應(yīng)先使用小電流充電，使其滿足一定的充電條件，這個階段稱為預(yù)充電?？焖俪潆娋褪怯么箅娏鞒潆?，迅速恢復(fù)電池電能，快速充電速率一般在 1C 以上，充 電時間由電池容量

6、和充電速率決定。為了避免過充， 一些充電器采用小電流充電。 鎳鎘電池在正常充電時， 可以接受 C/10 或更低的充電速率，這樣充電時間要 10h 以上。采用小電流充電，電池內(nèi)不會產(chǎn)生過多的 氣體，電池溫度也不會過高。只要電池接到充電器上，充電器就能對電池提供很小的涓流 充電電流。 涓流充電器的主要問題充電速度太慢， 此外， 電池采用低充電速率反復(fù)充電時， 還會產(chǎn)生晶枝。大部分涓流充電器中，都沒有任何電壓或溫度反饋控制，因而不能保證電 池充足電后立即關(guān)斷充電器?？焖俪潆姺趾懔鞒潆姾兔}沖充電兩種。 恒流充電就是以恒定電流對電池充電， 脈沖充 電就是首先用脈沖電流對電池充電，然后讓電池放電，如此循環(huán)

7、。放電脈沖的幅值很大， 寬度很窄。通常放電脈沖的幅值為充電脈沖的 3 倍左右。雖然放電脈沖的幅值與電池的容 量有關(guān)，但是，與充電電流的幅值的比例保持不變，脈沖充電時，充電電流波形如圖3。圖 3 脈沖充電電流波形圖采用某些快速充電終止法時， 快速充電終止后， 電池并未充足電。 為了保證電池充入 100的電量，還應(yīng)加入補(bǔ)足充電過程。補(bǔ)足充電速率一般不超過0.3C 。在補(bǔ)足充電過程中，溫度還會繼續(xù)上升，當(dāng)溫度超過規(guī)定的極限值時，充電器轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)。存放時， 鎳基電池的電量將按 C/30 到 C/50 的放電速率減小， 為了補(bǔ)償電池因自放電 損失的電量， 補(bǔ)足充電結(jié)束后， 充電器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入涓流充電

8、過程。 涓流充電也稱維護(hù)充電。 根據(jù)電池的自放電特性，涓流充電的速率一般都很低。2.1.4 快速充電終止控制方法采用快速充電法時， 充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。 充足電后如不及時停止快速 充電，電池內(nèi)部的溫度和壓力將迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，可采用定時 控制、電壓控制和溫度控制等多種方法。定時控制采用 1.25C 充電速率時， 電池 1h 可以充滿； 采用 2.5C 充電速率時， 電池 30min 可充 足。因此，根據(jù)電池的容量和充電電流，很容易所需的充電時間，這種控制方法最簡單， 但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池不足，有的電池過充電，因此，只有 充電速率小于

9、0.3C 時，才允許采用這種控制方法。電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測到的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有： 最高電壓（ Vmax） 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時，電池即充 足電。充電過程中，電池電壓達(dá)到規(guī)定值時，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點 是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池電壓也 有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。電壓負(fù)增量（ V ） 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受 環(huán)境溫度和充電速率等因素的影響，因此可以比較準(zhǔn)確的判斷電池是否已充足電。這種控 制方法的缺點是：電池電壓出現(xiàn)

10、負(fù)增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池溫度較高。此外， 鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間才出現(xiàn)負(fù)增量，過充電較嚴(yán)重。因此這種控 制方式不適用于鎳氫電池充電。電壓零增量 （0 V ） 鎳氫電池充電器中， 為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時間過 長而損壞電池，通常采用 0 V 控制法。這種方法的缺點是：在充足電以前，電池電壓在 某一段時間內(nèi)可能變化很小，從而造成過早地停止快速充電。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池 快速充電器都采用高靈敏的 V 檢測，當(dāng)電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。溫度控制為了避免損壞電池， 電池溫度過低時不能快速充電， 電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后， 必 須立即停止快速充電。常用的溫

11、度控制方法有：最高溫度（ Tmax） 充電過程中，當(dāng)電池溫度達(dá)到 45 時，應(yīng)立即停止快速充電。 電池溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。這種方法的缺點時熱敏電阻響應(yīng)時間 較長，溫度檢測有一定滯后。同時，電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度過低 時，電池充足電溫度也達(dá)不到 45。溫升（ T ）：為了消除環(huán)境溫度影響，可采用溫升控制法。當(dāng)電池溫升達(dá)到規(guī)定值 后，立即停止快速充電。為了實現(xiàn)溫升控制，必須使用兩只熱敏電阻，分別檢測電池溫度 和環(huán)境溫度。溫度變化率 （ T t ）：鎳基電池充足電后， 電池溫度迅速上升，基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1時，應(yīng)立即停止快速充電。這種充電控制方法

12、，近年來被普遍采用。應(yīng)當(dāng)說明，由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此，為了提 高精度，應(yīng)設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。最低溫度 （Tmin）：當(dāng)電池溫度低于 10時， 采用大電流快速充電， 會影響電池壽命。 在這種情況下， 充電器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入涓流充電， 待電池溫度上升到 10后， 再進(jìn)入快速充電綜合控制上述各種控制方法各有優(yōu)缺點。 為了保證在任何情況下， 均能可靠地控制電池的充電 狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括定時控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制方法。2.2 鉛酸電池 鉛酸蓄電池的充放電過程實為正、 負(fù)極板上的活性物質(zhì)和電解液之間不斷作用的化學(xué) 反應(yīng)過程。 不論采用哪種充電制度， 鉛

13、酸蓄電池的充電過程都必須遵守雙極硫酸鹽化理論。 該過程是可逆的，在充電狀態(tài)時，正極板上是PbO2,負(fù)極板上是海綿狀 Pb，電解液是化學(xué)純凈的硫酸水溶液。 在充電過程中， 正極板上的 PbSO4轉(zhuǎn)化為 PbO2，負(fù)極板上的 PbSO4逐 漸轉(zhuǎn)化為海綿狀 Pb。同時，電解液中硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，因此電解液的 比重逐漸增加， 蓄電池的端電壓也逐漸增加。 在放電過程中， 正負(fù)極板上的活性物質(zhì) （PbO2 和 Pb） 都不斷轉(zhuǎn)變?yōu)?PbSO4，由于 PbSO4的導(dǎo)電性能比較差，所以放電以后，蓄電池的內(nèi) 阻增加。此外，在放電過程中，由于電解液中的硫酸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗娊庖旱谋戎刂饾u下 降，這樣

14、，也使蓄電池的內(nèi)阻增加，電動勢降低。2.2.1 鉛酸電池的充電方法 在充電過程中，蓄電池將出現(xiàn)極化現(xiàn)象：歐姆極化（ 充電時電池內(nèi)阻引起電池端電壓的升高 ） ，濃差極化 （充電時電解液濃度差異造成的過電壓） ，電化學(xué)極化 （充電過程中極板上電荷的累積使極板產(chǎn)生的過電位 ） 。(1) 極化產(chǎn)生的過電壓會阻礙充電電流，放慢電池的化學(xué)反應(yīng)速度。(2) 使化學(xué)反應(yīng)過程中的水解加劇，產(chǎn)生大量氣體。產(chǎn)生的氣體不僅會延緩電池的充 電過程，而且對極板有嚴(yán)重的腐蝕作用。(3) 電池內(nèi)部水解將產(chǎn)生大量的熱量，使電解液的溫度升高。當(dāng)電池溫度升高到一定 程度 ( 目前國內(nèi)定為 45e) ，會引起極板受熱變形，以至損壞。

15、(4) 水解所消耗的能量 ( 發(fā)熱) 全系無謂消耗，從而也就降低了充電過程的能量效率指 標(biāo)。從以上分析可以看出，極化所產(chǎn)生的阻流、氣泡、溫升、耗能等毛病對電池都是極為 有害的。此外，充電電流越大，則極化也就越快、越厲害，對電池越不利。如果不設(shè)法消 除( 或緩和 )極化現(xiàn)象，難以實現(xiàn)大幅值恒流充電。這也是長期以來人們用小電流進(jìn)行常規(guī) 棄電的原因，只有消除了極化，才能大幅度地加大充電電流，縮短時間，達(dá)到快速充電的 目的。脈沖充放電去極化的機(jī)理： 從宏觀來看，對任何蓄電池都存在如圖 4 中曲線所示的 充電可接受電流曲線，也稱作蓄電池的固有充電曲線。當(dāng)充電電流在曲線以下時，只產(chǎn)生 微量析氣。當(dāng)充電電流

16、在曲線以上時，只能增加出氣率，而不能提高充電速度。 1972 年， 美國科學(xué)家 N J Mas在第二屆世界電動汽車年會上提出了著名的馬斯三定律：(1) 蓄電池充電接受比與放電量的平方根成正比；(2) 蓄電池的充電接受比與放電電流的對數(shù)成正比 ;(3) 蓄電池在以不同放電率放電后，其充電接受比與各放電率的充電接受比的和成正 比。綜合馬斯三定律， 由圖 4 可見，在充電過程中， 當(dāng)充電電流接近蓄電池固有的微量析 氣充電曲線時，適時地對電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電，消除電池的極化現(xiàn)象，可以提高 蓄電池的充電接受能力。也就是說通過反向大電流放電，可以使蓄電池的可接受電流曲線 不斷右移，同時其陡度不斷增大

17、，從而大大提高充電速度，縮短充電時間。鉛酸電池的恒流充電速率推薦為 1.5C ，單元電池充電電壓為 2.45 2.50V 。圖 5為鉛 酸電池充電電流、充電時間與電池容量的關(guān)系曲線。圖 4 鉛酸電池脈沖充電特性曲線圖 圖 5 鉛酸電池充電時間、電池容 量、充電電流特性曲線2.3 鋰電池 金屬鋰為陽極的可充電池負(fù)極使用各種碳素材料， 如軟碳、硬碳石墨和石墨化碳纖維， 將其同粘結(jié)劑( PVDF)一并加入溶劑( NMP)中，攪成稀泥，涂敷在約 20um厚的銅箔上，待溶劑蒸發(fā)后便為負(fù)極活性材料。正極使用預(yù)先鋰化的過渡金屬氧化物，主要有LiCoO2、LiNiO 2和 LiMn2O4，這三種正極材料互相競

18、爭，只有 LiCoO2為正極的鋰離子電池從 1991 開 始步入市場，一直處于壟斷地位。2.3.1 鋰電池充電方法 鋰電池充電過程通?？煞譃椋侯A(yù)充狀態(tài)、恒流充電 和恒壓充電狀態(tài)。預(yù)充階段 在安裝好電池后，當(dāng)電池電壓 Vbat 低于 低壓門限 VMIN時，先使用恒定的小電流 IPRE 對電池預(yù)充 電。恒流充電 在完成預(yù)充電或電池電壓 VBAT低于恒壓 VREG時，進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，充電電流在 1C 左右。恒壓充電 當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓 VREG時進(jìn)入恒壓充 電狀態(tài)。當(dāng)充電電流達(dá)到終止門限 I(TERM) 時，停止充電。鋰電充電限制電壓為 4.20V 0.05V 。圖 6 為鋰電池充電特性曲線。三、

19、設(shè)計方案智能電池電源充、放電系統(tǒng)設(shè)計主要有四個方面：一、處理器電路設(shè)計；二、PMOSFE驅(qū)T 動電路設(shè)計；系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 7三、電壓、電流、溫度反饋電路設(shè)計； 四、充電狀態(tài)顯示電路設(shè)計。圖7 總體設(shè)計模塊框圖3.1 控制處理器電路控制處理電路選用的是 Atmel 公司的 AT89S51 單片機(jī)及 Linear 公司的 LTC1325CSW 高性能充電控制 IC。3.1.1 AT89S51AT89S51是 Atmel 公司推出的其低功耗、高性能 CMOS 8位單片機(jī)3.1.2 LTC1325CSWLTC1325CSW為 Linear 公司推出的單片 CMOS快速充電控制器。它可對鎳鎘、鎳氫

20、、鉛酸、鋰電池等可充電進(jìn)行快速充、放電控制，其基本電氣數(shù)據(jù)如表 2符號內(nèi)容最小值典型值最大值單位VDD工作電壓4.516VIDD工作電流12002000uAIPD電源關(guān)斷模式工作電流3050uAVREG內(nèi)部參考源電壓（無負(fù)載）3.0473.0723.097V表2 LTC1325CSW基本電氣數(shù)據(jù)在充電模式下，微處理器通過10 位 ADC監(jiān)控電池的電壓、溫度和環(huán)境溫度。各種充電終止法，比如VBAT 、 VBAT / Time 、 TBAT 、 TBAT / Time、 （TBAT TA） 、TMAX 、V BATmax 、tmax 都可以由軟件精確地實現(xiàn)， LTC1325CSW可同時監(jiān)控電池的故

21、障狀態(tài)。3.2 電壓、電流、溫度反饋電路電壓直接反饋回 LTC1325CSW，電流通過取樣電阻 RSENSE檢測反饋回 LTC1325CSW，溫 度反饋回路通過負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）網(wǎng)絡(luò)檢測，反饋回 LTC1325CSW。取樣電阻 RSENSE選擇時應(yīng)考慮以下三種情況：LTC1325CSW的基準(zhǔn)電壓值 VREF和設(shè)定的占空比； 取樣電阻的功耗。為了保證電量檢測的線性度，取樣電阻上的壓降應(yīng)滿足 I LOAD RSENSE 450mVLTC1325CSW有 5 種可供選擇的占空比和 4 種 VDAC設(shè)定值，因此當(dāng)取樣電阻確定后，ICHRGVDAC （占空比）/ RSENSE有 20 種充電速率可

22、供選擇，如表 3 所示。歸一化 VDAC占空比11/21/41/81/161(VR1=1,VR0=1)11/21/41/81/161/3(VR1=1,VR0=0)1/31/61/121/241/481/5(VR1=0,VR0=1)1/51/101/201/401/801/10(VR1=0,VR0=1)1/101/201/401/801/160表 3 充電速率設(shè)定對于不同的 VDAC和占空比的任意組合，充電器平均充電電流由下式給出：為了簡化用 NTC熱敏電阻檢測電池或環(huán)境溫度的設(shè)計，要利用由REG腳電壓供電的分壓器，如圖 10 所示，該分壓器由負(fù)載電阻 RL和熱敏電阻 RT組成。0。有關(guān)公式如下

23、：圖 10 LTC1325CSW安全保護(hù)或故障檢測電路 對于給定的熱敏電阻來說， RL 為某一確定數(shù)值時，在滿足充電器要求的較窄的溫度 范圍內(nèi)，分壓器輸出電壓 VDIV（ T）隨溫度線性變化。計算 RL最容易的方法式采用拐點法 并假定分壓器輸出電壓的二階溫度倒數(shù)為1VREG(1 RL )VDIV (T)f (T)RTRTRT 0exp (T1 T10)2T0RL RT022TT00T T0 ln RTT0 TRT02T 20 T0T21 dRT RTdTdVDIVdVdTDIV VDIV (T0) (式中， VDIV（T）是分壓器輸出電壓， VREG是 REG腳的電壓（ 3.072V ）， R

24、T 是當(dāng)溫度 為 T 時熱敏電阻的阻值， RT 0是在基準(zhǔn)溫度 T0 下熱敏電阻的阻值， 是由熱敏電阻的材 料決定常數(shù)， 是 T0時熱敏電阻 RT的溫度系數(shù)（ / ）。3.3 程序設(shè)計 CCTV機(jī)器人電源充、放電系統(tǒng)程序主要由主程序和不同可充電電池對應(yīng)充電子程序 構(gòu)成。主程序主要對各芯片初始化和導(dǎo)向功能。充電器各種功能的實現(xiàn)主要靠調(diào)用具體的子程序。子程序有以下幾個：LTC1325CSW通訊子程序?qū)?LTC1325CSW芯片寫入命令及讀取 ADC值和狀態(tài)字。 以實現(xiàn)對 LTC1325CSW芯片的控 制，實現(xiàn)各種充電方式、故障監(jiān)控和充電終止控制。液晶顯示器通訊子程序 寫入相關(guān)命令和數(shù)據(jù)，令液晶顯示器顯示當(dāng)前充電器狀態(tài)。電池類型判別子程序 判別接入充電器的電池類型，