基于单片机控制的锂电池充电和保护系统

电源技 术 基于单片机控制的锂电池充电和保护系统 李 洪 ，戴永军 ，李向锋。 (1．中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314001；2．浙江嘉科电子有限公司，浙江 嘉兴 314001) [摘要] 关键词 0 引言 通过对锂电池保护和充电技术的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 比较， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一种基于单片机控制的锂电池保护和充电系统，即用 单片机 来实现锂 电池 串联组 的过 电压 、欠 电压 、过流和 短路 保护 ；在锂 电池充 电时，用 同一单 片机来 实现均衡 充电，简化 充电电源，提 高整个 系统的性价 比。 单片机 锂 电池 均衡 充电 保护 随着经济和交通 的发展 ，燃 油车辆尾 气排放 物给 城市大气环境造成 严重 的污染 ，因此许 多研究机 构和 企业都在积极研发生产 无污染 的电动 自行车和 电动踏 板车。电动 自行 车实用化 的关键 是电池和充 电技 术。 具有高性价 比的锂离子蓄电池 (LIP)和聚合物锂离子蓄 电池(LIB)正得到越来越广泛的应用 。 1锂电池充电技术的比较 锂 电池 的充电技术包括保 护和充 电 2方面 。锂 电 池的保护一般采用 3种方法 ：单片机控制 、锂 电池 管 理芯片和分立元件 。这 3种方法 的优缺点 比较见表 1。 表 1锂 电池保护的 3种方法的比较 从表 1可知 ，用单 片机控制作锂 电池的保护具有 较高的性价 比。如 Microchip的 PIC单片机 ，其静态电 流在 晶振频率为 32kHz时 ，仅为几十微安 ，如设置成 Sleep状态 ，其功耗更小 ，完全可以和锂电池管理 芯片 媲美 。 锂电池的充电方法一般为先恒流，再恒压，当电 流减小到一定值后 ，再关 断 电源 。充 电电路有 多路并 联充 电和单路 电流充 电并 加均衡 电路 2种方法 。通过 这 2种充电电路 的对 比试 验可知 ，单路充 电加均衡 电 路的充电效率低，但电路简单，成本低。在试验中， 要使各单体 电池 电压完 全均衡 ，单路充 电加均衡 电路 的充 电效率 比多路并联 充电至少 低 1／3。其原 因主要 是： (1)均衡电路没有实现线性放电，即单体电池电压 刚达到 4．2V时，其均衡电路放电电流应比较小，然后 再慢慢增大。由于是开关型的均衡电路，单体电池电 收稿 日期 ：2009—06—03 作者简介：李洪，高级工程师，主要研究方向为大功率开关电 源技 术和智能 充电技术 。 压刚达到 4．2V，均衡 电路 就完全导通，放 电电流 比较 大。对单体电池来说，恒流转恒压时，电流突降，这 对锂 电池的完 全充 电是不 利的，势必导致充 电效率下 降。 (2)整个 电池组恒流转 恒压后 ，不能完全关 闭均衡 电路 ，部分电流 一直从均衡 电路 中流过 ，造成 充电效 率下降 。 综上所述 ，利用单 片机 强大 的控 制功能不 仅可完 成对锂电池的保护 ，而且在锂 电池充 电时，可 通过控 制均衡电路 ，对 达到 4．2V 的单体 电池进 行脉 冲式放 电，在整个锂 电池组恒流转恒 压时 ，又可控制 均衡 电 路完全关 断 ，使整 个 锂 电池 组 同时 进入 恒 压 充 电阶 段。所以 ，基于单片机 控制的锂 电池 充 电和保 护系统 可充分利用上述电路的优点，克服其缺点，达到高的 性价 比。 2 系统工作原理 该系统 由 2个部分组 成 ：(1)锂 电池 及保 护 电路 作 为一个整体 ，安装在 电动 自行车上 。(2)充 电及均 衡 电路作为 另一 个 整体 ，只在 需要 充 电时 ，才 与 电 动 自行车相 接 。该 系统 采用 36v／12Ah(10串)聚合 物锂离子电池 ，其恒流充电电流为 3A，恒流充 电截 止 电压为 4．2V，恒 压充 电截 止 电 流为 0．5A；保 护 电路对每个单体电池有电压监控作用，其最小放电 电压为 3V，最 大输 出电流 为 24A。该 系统 的原 理框 图如图 1所示 。 图1系统原理框图 在锂电池不充电时，单片机只对锂电池起监测和 电工技术 I2009l 9期l57 电 源-R．术 保护作用。当某一单体电池电压低于3V时，采用单片 机关断输出MOSFET。为快速有效地保护 MOSFET， 采用模拟电路来完成锂电池过电流及短路保护功能， 如图2所示，过流时由于大电流流过 MOSFET管，使 MOSFET管的 。 增大，从而使 V。导通，MOSFET 管关断；过温保护则采用继电器。锂 电池需充电时， 一 旦插上插头，单片机监测到 PG信号为高电平，锂电 池就转入充 电状态 。开关 电源先恒流 ，再恒压 ，对锂 电池组进行充电。在恒流阶段，CV信号为高电平，由 于是串联充电，因此必定会有某一单体电池电压先达 到4．2V，此时单片机通过对每个单体电池的检测，确 定是哪节 电池已达到 4．2V，随后就发出一地址码 给充 电器中的均衡电路。均衡电路对地址码进行译码后， 输出一个 TTL电平，使并联在这一个单体电池上的均 衡电路导通，并实现脉冲式控制。开关电源从恒流转 入恒压后， CV信号转为低电平，此时单片机发出全 0 的地址码 ，使均衡 电路全部关 闭，以提 高恒 压阶段 的 充电效率 。 图 2锂电池过电流及短路保护 3系统主要电路的设计 3．1单片机控制电路 该系统选用性价比高的由 Microchip公司生产的 PIC16F72型单片机。该单片机有 5路 A／D，外加模 拟开关，可对多个单体电池电压进行取样；3个计 时器足 以完成 定时 监测 电池 电压 和实 现 脉 冲式控 制 的要求 ；电源电压 为 2～ 5．5V，非常适 合 于单 电池 的供电；芯片的功耗也很低。单片机的主 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如 图 3所示 。 由于锂电池在短时大电流冲击下，会有瞬间的电 压跌落，所以在单片机中设置了 1个关断次数字，在 连续几次关断后 电压仍不能恢复时， 将关断 M0S— FET，直到充电为止。 3．2均衡电路 均衡电路由并联在单体电池上的可控开关电路组 成。在锂电池充电时，单片机根据对每个单体电池电 压的检测，送出一个地址码(十六进制数)，由充电器 对其译码后，指定某一个均衡 电路导通，从而分流部 分充 电电流 。 58 I WWW．chinaet．net I电工技术 3．3开关电源 该系统所用的开关电源是由TOP250Y组成的单端 正激电路，其输出为 42V／3A，由 TTL电平输出 PG 信号和 CV信号，供单片机检测。 开 始 — — 初始化 MOSFET输出控制置 1‘导通) 、== 、、 ／ I Y 调用多路 MD转换子程序 < 、 、 、 ／ l Y MOSFET输出控制置0 供膏i) 调用延时子程序 — i： I Sleep：R~ l 4结束语 N 调用多路 m^ 转换子程序 N_< 4． 位置编码置数输出 圈3单片机主流程圈 调用延时子程序 CV=∞ 位置编码置0 虽然基于单片机控制的保护和充电系统的充电效 率介于多路并联充电和单路充电加均衡电路之间，但 是它不仅通过单片机来实现锂 电池组 的过电压、欠 电 压 、过流和短路保 护，又用 同一单片机来实现均衡充 电，简化充电电源，提高整个系统的性价比。通过样 机的研制和试用的情况看，基于单片机控制的保护和 充 电系统是可行的。 参考文献 l-]1崔万安．电动 自行车[M-I．北京：机械工业出版社，2004 Fz-1俞光昀，王绮红，吴一锋．PIC系列单片机开发应用技术 I-M]．北京：电子工业出版社，2000 [3]汪继强．第二十届国际原电池和蓄电池会议评述[J]．电 源技 术 ，2003，27(3)：322~328 I-4-1袁宁，王克亮，孙小伍．闭环程控直流电流源设计[J]．电 工技 术 ，2006(2)：54，55 (编辑 马燕玲) 一 事 一 审