智能充放電系統(tǒng)

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(jì)原理、應(yīng)用方向。關(guān)鍵詞： 單片機(jī) PWM 恒參量充電 采樣一、前言 現(xiàn)在各種場(chǎng)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一，只能對(duì)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(fèi)和難于管理。本智能電池充、放電系統(tǒng)是基于脈寬調(diào)制（PULSE WIDE MODULATIONPWM ）控制驅(qū)動(dòng)MOSFET原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)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CMO

2、S快速充電控制器LTC1325CSW，利用軟件控制充電過(guò)程，能夠根據(jù)不同電池的充電特性曲線對(duì)不同電池進(jìn)行充、放電控制。充、放電過(guò)程中通過(guò)ADC采樣實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓、電池溫度、環(huán)境溫度的反饋和充電時(shí)間的監(jiān)測(cè)，使用閉環(huán)PWM控制，當(dāng)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，結(jié)束充電狀態(tài)。并且可以對(duì)充電前和充電過(guò)程中發(fā)生的故障（電池倒置、短路）進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警。系統(tǒng)采用模塊模式設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)充、放電功率MOSFET模塊進(jìn)行增減，以適應(yīng)不同工況下對(duì)電流的需求。由于采用軟件控制，可隨時(shí)通過(guò)軟件升級(jí)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(shí)現(xiàn)多功能、通用型智能化充、放電系統(tǒng)。二、常用可充電電池原理及其充電方法2.

3、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(dòng)勢(shì)可達(dá)1.5V左右，但很快下降到1.311.36V。當(dāng)鎳鎘電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)，平均工作電壓為1.2V。采用8h率放電時(shí)，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(jì)算公式如下： （U充和U放應(yīng)取平均電壓）鎳鎘電池使用過(guò)程中，如果電量沒(méi)有被全部放完就開始充電，下次再放電時(shí)就不

4、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(méi)有完全變?yōu)闅溲趸嚕Ｓ嗟臍溲趸瘉嗘噷⒔Y(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(shí)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(zhǎng)，并且無(wú)記憶效應(yīng)。鎳氫電池的正極板活性物質(zhì)為NiOOH（放電時(shí)）和Ni（OH）2 (充電時(shí))，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2(放電時(shí))和H2O（充電時(shí)），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(shí)電池電壓、溫度曲線。圖2 鎳氫電池1

5、C速率充電電池電壓、溫度曲線2.1.3 鎳基電池充電方法鎳基電池的充電過(guò)程通?？煞譃椋侯A(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電四個(gè)階段。對(duì)長(zhǎng)期不用或新的電池以及過(guò)放電的電池充電時(shí)，一開始就用快速充電，會(huì)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(gè)階段稱為預(yù)充電。快速充電就是用大電流充電，迅速恢復(fù)電池電能，快速充電速率一般在1C以上，充電時(shí)間由電池容量和充電速率決定。為了避免過(guò)充，一些充電器采用小電流充電。鎳鎘電池在正常充電時(shí)，可以接受C/10或更低的充電速率，這樣充電時(shí)間要10h以上。采用小電流充電，電池內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氣體，電池溫度也不會(huì)過(guò)高。只要電池接到充電器上，充電器

6、就能對(duì)電池提供很小的涓流充電電流。涓流充電器的主要問(wèn)題充電速度太慢，此外，電池采用低充電速率反復(fù)充電時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生晶枝。大部分涓流充電器中，都沒(méi)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。快速充電分恒流充電和脈沖充電兩種。恒流充電就是以恒定電流對(duì)電池充電，脈沖充電就是首先用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池放電，如此循環(huán)。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(shí)，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(shí)，快速充電終止后，電池并未充足電。為

7、了保證電池充入100的電量，還應(yīng)加入補(bǔ)足充電過(guò)程。補(bǔ)足充電速率一般不超過(guò)0.3C。在補(bǔ)足充電過(guò)程中，溫度還會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)溫度超過(guò)規(guī)定的極限值時(shí)，充電器轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)。存放時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電過(guò)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(shí)，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。充足電后如不及時(shí)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(guò)充電，可采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制等多種方法。定時(shí)

8、控制采用1.25C充電速率時(shí)，電池1h可以充滿；采用2.5C充電速率時(shí)，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(shí)間，這種控制方法最簡(jiǎn)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(guò)充電，因此，只有充電速率小于0.3C時(shí)，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(cè)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(shí)，電池即充足電。充電過(guò)程中，電池電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)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

9、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（） 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓無(wú)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(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)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(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)負(fù)增量，過(guò)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（） 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(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損壞電池，通常采用控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：在充足電以前，電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，從而造成過(guò)早地停止快速充電。為此，目前大多數(shù)

10、鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏的檢測(cè)，當(dāng)電池電壓略有降低時(shí)，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(guò)低時(shí)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。常用的溫度控制方法有：最高溫度（Tmax） 充電過(guò)程中，當(dāng)電池溫度達(dá)到45時(shí)，應(yīng)立即停止快速充電。電池溫度可通過(guò)與電池裝在一起的熱敏電阻來(lái)檢測(cè)。這種方法的缺點(diǎn)時(shí)熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度檢測(cè)有一定滯后。同時(shí)，電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電池充足電溫度也達(dá)不到45。溫升（）：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(shí)現(xiàn)溫升控制，必須使用兩只熱敏電阻，分

11、別檢測(cè)電池溫度和環(huán)境溫度。溫度變化率（）：鎳基電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1時(shí)，應(yīng)立即停止快速充電。這種充電控制方法，近年來(lái)被普遍采用。應(yīng)當(dāng)說(shuō)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(shí)，采用大電流快速充電，會(huì)影響電池壽命。在這種情況下，充電器應(yīng)自動(dòng)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(diǎn)。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(shí)控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制方法

12、。2.2 鉛酸電池鉛酸蓄電池的充放電過(guò)程實(shí)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(guò)程。不論采用哪種充電制度，鉛酸蓄電池的充電過(guò)程都必須遵守雙極硫酸鹽化理論。該過(guò)程是可逆的，在充電狀態(tài)時(shí)，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(guò)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(shí)，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(guò)程中，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)(PbO2和Pb)都不斷轉(zhuǎn)變?yōu)镻bSO4，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

13、增加。此外，在放電過(guò)程中，由于電解液中的硫酸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，電解液的比重逐漸下降，這樣，也使蓄電池的內(nèi)阻增加，電動(dòng)勢(shì)降低。2.2.1鉛酸電池的充電方法在充電過(guò)程中，蓄電池將出現(xiàn)極化現(xiàn)象：歐姆極化(充電時(shí)電池內(nèi)阻引起電池端電壓的升高)，濃差極化(充電時(shí)電解液濃度差異造成的過(guò)電壓)，電化學(xué)極化(充電過(guò)程中極板上電荷的累積使極板產(chǎn)生的過(guò)電位)。(1)極化產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)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(guò)程中的水解加劇，產(chǎn)生大量氣體。產(chǎn)生的氣體不僅會(huì)延緩電池的充電過(guò)程，而且對(duì)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(guó)

14、內(nèi)定為45e)，會(huì)引起極板受熱變形，以至損壞。(4)水解所消耗的能量(發(fā)熱)全系無(wú)謂消耗，從而也就降低了充電過(guò)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(duì)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(duì)電池越不利。如果不設(shè)法消除(或緩和)極化現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)大幅值恒流充電。這也是長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)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(lái)看，對(duì)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(shí)，只產(chǎn)生微量

15、析氣。當(dāng)充電電流在曲線以上時(shí)，只能增加出氣率，而不能提高充電速度。1972年，美國(guó)科學(xué)家N·J·Mas在第二屆世界電動(dòng)汽車年會(huì)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(duì)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(guò)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(shí)，適時(shí)地對(duì)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(shuō)通過(guò)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(shí)其陡度不斷

16、增大，從而大大提高充電速度，縮短充電時(shí)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2.452.50V。圖5為鉛酸電池充電電流、充電時(shí)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(shí)間、電池容量、充電電流特性曲線2.3 鋰電池金屬鋰為陽(yáng)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(guò)渡金屬氧化物，主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4，這三種正極材料互相競(jìng)爭(zhēng)，只有LiCoO2為正極的鋰

17、離子電池從1991開始步入市場(chǎng)，一直處于壟斷地位。2.3.1 鋰電池充電方法鋰電池充電過(guò)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(shí)，先使用恒定的小電流IPRE對(duì)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(shí)，進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，充電電流在1C左右。圖6 鋰電池充電特性曲線恒壓充電 當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓VREG時(shí)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(shí)，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、設(shè)計(jì)方案智能電池電源充、放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有四個(gè)

18、方面：一、處理器電路設(shè)計(jì)；二、PMOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；三、電壓、電流、溫度反饋電路設(shè)計(jì)；四、充電狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖7控制處理器顯示器充、放電PMOSFET電池電壓、電流、溫度反饋電路PMOSFET驅(qū)動(dòng)電路圖7 總體設(shè)計(jì)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L(zhǎng)inear公司推出的單片CMOS快速充電控制器。它可對(duì)鎳鎘

19、、鎳氫、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(hào)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(wú)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(guò)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、都可以由軟件精確地實(shí)現(xiàn)，LTC1325CSW可同時(shí)監(jiān)控電池的故障狀態(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(guò)取樣電阻RSENSE檢測(cè)反饋回LTC1325CSW，溫度反饋回

20、路通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)電阻（NTC）網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，反饋回LTC1325CSW。取樣電阻RSENSE選擇時(shí)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(cè)的線性度，取樣電阻上的壓降應(yīng)滿足 LTC1325CSW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，有20種充電速率可供選擇，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)1/51/101/201/401/8

21、01/10(VR1=0,VR0=1)1/101/201/401/801/160表3 充電速率設(shè)定對(duì)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(jiǎn)化用NTC熱敏電阻檢測(cè)電池或環(huán)境溫度的設(shè)計(jì)，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。圖10 LTC1325CSW安全保護(hù)或故障檢測(cè)電路對(duì)于給定的熱敏電阻來(lái)說(shuō)，RL為某一確定數(shù)值時(shí)，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(jì)算RL最容易的方法式采用拐點(diǎn)法并假定分壓器輸出電壓的二階溫度倒數(shù)為0。有關(guān)公式如下： ； ； ； 式中，是分壓器輸出

22、電壓，是REG腳的電壓（3.072V），是當(dāng)溫度為T時(shí)熱敏電阻的阻值，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(shí)熱敏電阻RT的溫度系數(shù)（/）。3.3 程序設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)充電子程序構(gòu)成。主程序主要對(duì)各芯片初始化和導(dǎo)向功能。充電器各種功能的實(shí)現(xiàn)主要靠調(diào)用具體的子程序。子程序有以下幾個(gè)：LTC1325CSW通訊子程序?qū)TC1325CSW芯片寫入命令及讀取ADC值和狀態(tài)字。以實(shí)現(xiàn)對(duì)LTC1325CSW芯片的控制，實(shí)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?qū)懭胂嚓P(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，選擇合適的充電控制方式。鎳基電池充電子程序確定鎳基電池充電的參數(shù)，主要是檢測(cè)接入鎳基電池的單元電池串連數(shù)量，選擇合適的充電電壓、電流和終止控制方式。恒參量充電子程序（鋰電池及鉛酸電池充電子程序）確定鋰電池或者鉛酸電池的充電參數(shù)，主要是檢測(cè)接入電池的單元電池串連數(shù)量，選擇合適的充電電壓、電流和終止控制方式。延時(shí)子程序2.3.1 程序流程圖主要程序及子程序流程圖如圖11、圖12及圖13下：開始初始化LTC1325CSW初始化液晶顯示器讀Vcell