锂电池组充放电安全保护电路设计

【摘 要】本论文采用LPC768单片机强大的逻辑控制能力,同时监测多节锂电池并联充电过程,通过恒流恒压模式充电实现了对锂电池充电状态的监测和对锂电池过度充电及过电流的保护功能,保证充电过程中的安全性,实现了对锂电池组充电过程的均衡管理.

【关 键 词】锂电池,充电,安全保护,动态管理

1.引言

锂电池最早出现于1958年[1],20世纪70年代进入实用化.20世纪80年代趋向研究锂离子电池,以后日益发展.随着科技进步与社会发展,像手机、笔记本电脑、MP3、PDA、掌上游戏机、数码摄像机等便携式设备已越来越普及,这类产品常常采用二次电池进行供电.

市面上广泛使用的便捷式二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、二次碱锰电池及锂电池,其中锂电池包括锂离子电池和锂聚合物电池.而可充电锂电池是目前便携式电子设备中应用最广泛的电池,其以体积小、容量大、质量轻、无记忆效应、无污染、电池循环充放电次数多（寿命长）等优点,受到大家的青睐[2].

锂电池能量密度高,难以确保电池的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险[3],因此锂电池的过度充电及过电流保护很重要,所以通常都会设计保护电路,用以保护锂电池.

本论文基于实际应用情况,以10节锂电池为一组,研究锂电池组充电安全保护电路的设计,其中锂电池组充电时采用并联模式.

2.锂电池组充电安全保护电路硬件设计

并联充电,即所有单体电池并联独立充电,均充满时（4.2V）[4],充电结束.锂电池组并联充电系统框图如图1所示,单片机LPC768通过四位选通控制位来依次选通CD4067的第0～9位,即依次对充电的十节锂电池进行监测和控制.单片机不停的扫描,并将采集到的电压与电流信息与基准电压与电流进行比较,通过控制相应的模拟开关的开断程度来保证充电过程在恒流恒压模式下进行.

图1锂电池组并联模式充电系统框图

单片机CPU通过模拟多路器（CD4067）从V0～V9采集电池两端电压,包括50mΩ采样电阻压降,线路损耗压降.从I0～I9采集流过电池的电流.向C0～C9发送控制信号,控制MOS场效应管的导通程度,从而实现电池恒流恒压充电.

当电池两端电压低于4.2V时,控制场效应管,保持以2A电流恒流充电.当电池两端电压接近4.2V时,控制场效应管,保持恒压充电.单片机控制10路单体充电电路,轮流采样,调整.

2.1单片机LPC768

LPC768单片机[5]是一种MCS-51兼容的CPU.只有20个管脚,内部有4路8bitA/D转换器,2路8bitD/A转换器（768有4路10bitPWM型D/A转换器）,具有内部看门狗.便宜,功能齐全,抗干扰能力强,基本不需要外部译码控制元件与电路.其不足之处是只有4k字节内部程序存储器,128字节用户存储空间.不过通过优化程序,完全满足程序存储.

图2基于单片机控制的锂电池组并联模式充电软件流程图

2.2单刀多掷开关CD4067

CD4067[6]相当于一个单刀十六掷开关,有四个二进制输入端A、B、C、D和控制端INH,具体接通哪一通道,由输入地址码ABCD来决定.INH等于1时,关闭所有的通道.

3.锂电池组充电安全保护电路软件设计

图2给出基于单片机控制的锂电池组并联模式充电软件流程图.

4.锂电池组充电安全保护电路设计实验验证

PC机上位串口通信监测程序采用LabVIEW图形化编程语言编程,通信协议设置如下：1）异步串行通讯,2）串行通信波特率为9600Hz,3）帧格式为：1位开始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验位,4）单片机通过查询方式接受PC机发送的数据,5）PC机接收单片机由串口发送的数据后,由LabVIEW程序进行数据解析,分别取出电压信号、电流信号等.

由于篇幅限制,图3出示部分锂电池充电过程监测图,并对10节锂电池组进行充电监测,约5h充电完成后,监测数据表1所示.

通过上面的实验验证,充电结束后对每一节锂离子电池电压测量得到的数据可以看出,本论文设计的锂电池组安全充电电路具有过压过流保护功能,过压保护终止电压为4.2V,过流保护终止2A,保证充电过程中的安全性,实现了对锂电池组充电过程的均衡管理.

5.结论

对锂电池组并联充电安全保护电路中,选用了LPC768单片机做为充电器的核心控制单元,通过CD4067多路模拟开关依次扫描并监测十路锂离子电池的充电状态,发现过充电和过电流等情况时,能够及时对出现异常情况的单体电池做出调节,保证了充电过程的安全性、均衡性和可靠性.最后,论文使用了LabVIEW程序进行数据解析,根据得到的实验数据可以看出,该充电电路的设计达到了预期的效果.