磷酸鐵鋰電池充電電路的設計及實驗分析[1]

1、機電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期磷酸鐵鋰電池充電電路的設計及實驗分析貝天寶(廣東工業(yè)大學機電學院 , 廣東廣州 510090 收稿日期 :2008-06-06, 而且還關(guān)系著鋰電池的安全問題 。 , 并通過實驗驗證了本文設計的充電電路的正確性 。 , 采集了充電狀態(tài)下鋰電池電壓的變化情況 , 充電電路 ; 充電特性文獻標識碼 :A 文章編號 :1009-9492(200812-0062-031引言自 1990年 日 本 SONY 公 司 研 制 成 功 小 功 率 鋰 離 子 電池以來 , 鋰離子電池作為一種新型的高新能蓄電池 , 與傳統(tǒng)的二次電池相比 , 有著突出的優(yōu)點 。 鋰離子電池的

2、工作電壓是 3.6V , 是鎳鎘和鎳氫電池工作電壓的三倍 , 因此也只能用鋰離子電池專用充電器來充電 , 以免發(fā)生事故 。 2002年 后 新 推 出 的 磷 酸 鐵 鋰 電 池 是 用 磷 酸 鐵 鋰 (LiFePO 4 材料作電池正極的鋰離子電池 , 由于磷酸鐵耐 高溫 、 遇熱不分解 , 在電池過充或短路的情況下其特性極 其穩(wěn)定 , 安全性極好 , 對環(huán)境無污染 , 是目前最好的大電流輸出動力電池 。 2鋰電池充電特性由于鋰離子電池的特殊材料特性 , 鋰離子電池的充電方式和一般的可充電電池的充電方式不同 。 鋰離子電池的充電方式通常分為以下三個階段 。1 預充階 段 。 當 電 池 電

3、壓 降 到 某 一 規(guī) 定 的 值 時 , 充電器對電池進行預充電 。 主要是避免電池在低壓時大電流充電對電池壽命造成的影響 。2 恒流充 電 階 段 。 當 電 池 電 壓 達 到 恒 流 規(guī) 定 的 門 限值的時候 , 充電器便進入第二階段 , 即恒流充電階段 。 3 恒壓充 電 階 段 。 隨 著 電 池 充 電 的 進 行 , 當 電 池 的電壓達到恒壓門限電壓時 , 其充電量接近其容量的 40%70%, 為 了 進 一 步 充 滿 電 池 , 充 電 器 進 入 恒 壓 充 電 階 段 。 在恒壓充電階段 , 當充電電流逐漸下降到低于電池的 0.1C 時 , 充電周期完成 。 磷酸鐵

4、鋰電池作為鋰電池的一種 , 其充電特性也完全 符合以上特性 , 由于其能量密度較其 它 類 型 的 鋰 電 池 低 ,所以其最高充電電壓為 3.6V , 標準工作電壓是 3.2V , 截止 放電電壓是 2.05V 。 而一般的鋰電池最高充電電壓為 4.2V , 標準工作電壓為 3.6V 。 為此磷酸鐵鋰電池的充電電路也不 同于一般的鋰電池充電電路 。 3充電電路的設計 綜合前面所述的磷酸鐵鋰電池特性 , 本文采用線性充電的方式來設計磷酸鐵鋰電池的充電電路 。 線性充電方式就是在鋰電池充電的各個階段 , 通過調(diào)整外部調(diào)整管 (功率晶體管 , 以合適的電流給 電 池 充 電 , 該 方 式 的 優(yōu)

5、 點 在于具有限流功能 , 不需要外部限流配適器 1。 圖 1是以線 性充電的方式的原理圖和充電電壓變化曲線示意圖 。 圖 2是按照線性充電方式來設計的單個磷酸鐵電池充 電電路圖 , 其中包括保護電路 。以上充電電路的主要部分是電源控制芯片 CN30602, 它是專門為單個磷酸鐵鋰電池而設計的線性充電芯片 , 利用內(nèi)部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電 。當電池電壓檢測輸入端 (FB 的電壓低于 2.05V , 充電電路用小電流對電池進行預充電 , 以保護電池 。 當電池 圖 1線性充電原理圖和充電曲線研機電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期圖 2充電電路原理圖電壓檢測輸入端 (FB 的電壓超

6、過 2.05V 時 , 充電器采用 恒流模式對電池充電 , 充電電流由 ISET 管腳和 GND 之間 的電阻確定 。 當電池電壓檢測輸入端 (FB 的電壓接近電 池端設定 3.6V 電壓時 , 充電電流逐漸減小 , CN3060進入 恒壓充電模式 。 當充電電流減小到充電結(jié)束閾值 (恒流充 電 電 流 的 10% 時 , 充 電 周 期 結(jié) 束 , 端 輸 出 高 阻 態(tài) , 端開始輸出低電平 , 表示充電周期結(jié)束 。 如果 要開始新的充電周期 , 只要將輸入電壓斷電 , 然后再上電 就可以了 。 圖 3所示是芯片的引腳圖 。4保護電路設計鋰離子電池電路至少需要三重保護 :過充保護 、 過放

7、 保護和短路保護 。當外部充電器對鋰電池充電時 , 為防止溫度上升所導 致 的 電 池 內(nèi) 壓 上 升 , 需要終止充電 。 此時 保護電路需要檢測電 池電壓 , 當電壓達到 3.65V 時 , 即 啟 動 過 度充電保護 。 為了防 止 鋰 電 池 的 過 放 電 , 當鋰電池電壓低于其 過 放 電 電 壓 檢 測 點 2.0V 時 , 將 啟 動 過 放保護電路 , 截止放 電并將電池保持在低 靜 態(tài) 電 流 的 待 機 模 式 。 該功能有電源控制芯片 CN3060實現(xiàn) 。過流或短路保護主要是為了防止某些不明原因造成過 電流或短路 。 保護電路工作原理是 :當放電電流過大或者 短 路 情

8、 況 發(fā) 生 , 保 護 電 路 開 啟 電 流 檢 測 功 能 。 將 功 率 管 MOSFET 導通時的電阻當成感應阻抗 , 通過檢測其導通時 壓降的情形 , 來判斷電路是否過流 , 如果比所定的過電流 檢測電壓還高則停止放電 。 保護電路主要由芯片 FS326來 實現(xiàn) 3, 圖 4是芯片的外形圖和引腳說明 。從圖 2可以看出 , 過流或者短路保護主要是通過檢測 保 護 芯 片 的 CSI 引 腳 上 的 電 壓 來 實 現(xiàn) 的 , 如 果 當 檢 測 到 CSI 引腳的電壓超過內(nèi)置的固定電壓 (FS326保護 IC 的內(nèi) 置 電 壓 是 150mV±30mV, 說 明 電 池

9、放 電 電 流 過 大 , 這 時 保護 IC 控制引腳 OD 輸 出 低 電 平 , 關(guān) 斷 功 率 管 MOSFET , 停止電池放電 , 保護電池 。 設 CSI 引腳的檢測電壓為 V CSI , 則有 :V CSI =2×R DS (ON ×I ,其中 :V CSI 表示 CSI 引腳的電壓 ; R DS (ON 表示調(diào)整管 的導通電阻 ; I 表示限流電流 。設計電 路 的 過 流 保 護 為 1.5A , 保 護 IC 的 內(nèi) 置 電 壓 是 150mV±30mV, 則 所 需 要 的 功 率 管 MOSFET 的 導 通 電 阻 R DS (ON 為

10、 :R DS (ON =V CSI =150=50m 。通過以上計算 , 選擇功率管 MOSFET 的導通電阻 R DS (ON 為 50m 左右 。 選用場效應管 AO4405來實現(xiàn) , 該場效應 管的 R DS (ON 典型值為 55m 。5充電電路的實驗分析和結(jié)論充電 電 路 的 實 驗 和 數(shù) 據(jù) 采 集 主 要 是 通 過 51系 列 單 片 機在充電狀態(tài)下 , 對電池的電壓進行采集 , 來觀察電池電 壓的變化情況和充電電路的正確性 。 圖 5是簡單的充電電 路實驗照片 , 其中包括采集電路 、 充電電路和單個 18650號磷酸鐵鋰電池 。采 集 模 塊 主 要 是 由 51系 列

11、的 STC12C2052AD 單 片 機 組成 5, 內(nèi)置 8位的 8通道 AD 轉(zhuǎn)換器 , 單片機的基準電 壓是 5V , 采集的電壓范圍是 05V, 電池的充電電壓是 0 4V , 不超出采集范圍 。 由于采集的是未處理過的十六進制 數(shù)據(jù) , 所以對采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) matlab 軟件適當?shù)奶?理 后 ,圖 3芯片引腳圖圖 4FS362A 的引腳說明機電工程技術(shù) 年第 37卷第 12期備了從二維設計向三維設計的升級 , 主要產(chǎn)品的三維模型已經(jīng)開始建立 , 如圖 2所示 。 通過三維造型 , 產(chǎn)品的設計思路更為直觀和便于驗證 , 再加上軟件具有的裝配干涉檢查等功能 , 使得設計工作如虎添翼 。

12、 3 再次 , 設 計 部 門 和 工 藝 部 門 具 備 了 信 息 融 合 的 條 件 , 設計部門的三維模型可為工藝部門數(shù)控編程提供支持 。 4 最 后 , CAD /CAM 系 統(tǒng) 為 今 后 企 業(yè) 級 的 信 息 整 合(PDM 打下了良好的基礎(chǔ)和鋪墊 。 通過一年多的應用 , 基于 UG 技術(shù) 的 CAD /CAM 系 統(tǒng) 在實際使用中充分證明了自身的價值 , 公司的信息化水平 整體向前邁進了一大步 , CAD /CAM 系統(tǒng)的應用更在 公 司 技術(shù)人員中得到了良好的反響與支持 , 設計 、 制造模式已經(jīng)在不知不覺中上了一個新的臺階 。4結(jié)束語回顧東方重機構(gòu)建 CAD /CAM

13、系統(tǒng)的過程 , 從項目調(diào)研 、 立項 、 實施都比較順利 , 成功的因素可總結(jié)為以下幾點 :一是規(guī)劃合理 ; 二是項目組 織 到 位 ; 三 是 領(lǐng) 導 重 視 ;四是項目團隊工作得力 ; 五是軟件系統(tǒng)選擇正確 。 以上缺了任何一條 , 都會對項目的實施帶來障礙 。參考文獻 :1國 家 發(fā) 展 和 改 革 委 員 會 . 核 電 中 長 期 發(fā) 展 規(guī) 劃 (2005-2020年 R . 2007.2丁 祥 海 . 制 造 企 業(yè) 信 息 化 實 施 過 程 管 理 理 論 與 方 法 研 究D . 杭州 :浙江大學 , 2004.第一作者簡介 :婁方林 , 男 , 1975年生 , 貴州貴陽

14、人 , 碩士 , 工程師 。 研究領(lǐng)域 :機械制造工藝技術(shù) 、 系統(tǒng)仿真等 。 已發(fā)表論文 1篇 。 (編輯 :王智圣 圖 2核島主設備 -蒸汽發(fā)生器 圖 5實驗照片 圖 6充電電壓變化曲線圖(上接第 24頁 研 再通過以下計算公式計算出采集到的電壓 , 最后畫出其充電曲線 。V =D IN ×5/255,其 中 :D IN 表 示 采 集 到 數(shù) 據(jù) 所 對 應 的 十 六 進 制 值 ;V 表示電壓值 。根據(jù)計算后的數(shù)據(jù) , 畫出的曲線圖如圖 6所示 。 該曲線顯示的是磷 酸 鐵 電 池 充 電 時 的 電 壓 變 化 曲 線 , 縱坐標表示的是電池的電壓 , 橫坐標表示的是采集

15、電壓數(shù) 據(jù) 的 個 數(shù) (約 30萬 個 。 其 中 OA 段 表 示 的 是 涓 流 階 段 ,這時電 池 電 壓 低 于 2.05V 。 當 電 池 電 壓 超 過 2.05V 時 , 電路 開 始 恒 流 充 電 , 在 圖 中 表 示 為 AB 段 。 B 點 的 電 壓 為 3.6V , 當超過 B 點電壓時 , 開始恒壓充電 。 在恒壓充電階 段 , 當控制電路檢 測 到 充 電 電 流 小 于 1/10恒 流 充 電 電 流時 , 關(guān)閉充電 , 顯示充電結(jié)束 。 用以上曲線對比圖 1曲可以得出 , 此設計的充電電路的實驗結(jié)果正確 。參考文獻 :1王 非 , 劉 昊 , 田 曉 明 . 手 持 終 端 設 備 中 的 鋰 電 池 充 電 技 術(shù)J . 電子器件 , 2004, 27(4:757.2安培磷酸鐵鋰電池充電器集成電路 CN3060Z . 深圳市科韻