锂电池的开关电源式智能管理系统设计

      锂电池具有体积小、比能量大、寿命长、放电性能好等特点。短短几年时间里，已广泛应用于笔记本电脑、手机、便携式DVD及VCD等设备上，并且随着生产技 术的发展，还有进一步优化的趋势。锂电池具有这么多的优点，同时它的制造成本却相对低廉，因此是未来最有前途的便携性电池。
    
    对于便携性电池，人们希望在获得大容量电能的同时，能够尽量减轻系统的重量，增加电池的效率和寿命。另外由于便携式设备的散热条件一般比较差，所以对整个电源系统的效率也提出了较高的要求。
    
    开关电源最大的特点是效率高。利用开关电源，可以很有效的减少大容量电池充电系统的功率损耗，从而大大降低整个系统的发热量。本文详细分析设计了一种基于开关模式电源的锂离子／锂聚合物智能管理系统。
    
    1 智能管理系统的结构
    
    本文中，我们使用目前应用最为广泛的恒流恒压充电方式，通过使用开关模式的电源来提供电池充电所需要的电压和电流，并且应用单片机和一系列周边电路来实现充放电的控制和对电池的保护功能。
    
    利 用单片机和开关电源相结合，我们就可以构造出一个智能化的锂离子／锂聚合物电池智能管理系统：开关电源主功率回路负责将电能转化成电池充电所需要的形式， 同时应尽量提高效率，减小电压电流纹波；单片机负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池 电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。
    
    整个智能管理系统分为两大部 分：充电机和电池组。充电机主要包括了主功率回路和一部分的电源控制电路；而电池组部分则包括电池、检测电路和单片机控制电路。这两部分通过接口互相连 接，能量从充电机传往电池组，而控制信号一部分控制电池组的充放电回路的开通与关断，另一部分则从电池组发送到充电机，控制充电机的启动关闭和输出恒压恒 流值。图1为整个系统的框图。
    
    图1充电机部分中，功率回路即为开关电源，它负责给电池进行充电，电源控制芯片接受从单 片机传来的恒压恒流参考等控制信号，结合功率回路输出的电压电流反馈，实现电路在不同要求下的正确输出。电池组部分中，单片机通过电压检测、电流检测和温 度检测等电路，实时地了解电池所处的状态，确定电池是否需要充电，充电方式为恒流还是恒压，何时应该结束充电过程，电池是否有过温现象的发生等等。另外， 单片机还必须检测异常情况下，电池的过压、过流以及温度过高等现象，及时采取保护措施，同时发出报警信号及显示报警原因。外部控制可以预置恒压恒流参考 值，也可以对充放电过程进行人工干预。
    
    

    
    2 电路设计
    
    电路的设计包括充电机和电池组两大部分。
    
    1)充电机的设计
    
    本文设计一个工频输入，能够实现恒流恒压输出的AC／DC开关电源。充电机的具体指标要求如下：输入电压：130～265Vac；输出电压Uo变化范围：0～30Vdc；输出恒流Io变化范围：0～10A；输出电压纹波△Uppm：<100mV。
    
    根据上述的充电机指标，开关电源的最大输出功率达到了POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W，假设电路效率η=80％，最大输入功率为由于功率较大，我们采用PFC+DC／DC的两级模式，以增大电源功率因数，减小对电网的不良影响。
    
    PFC部分采用应用最为普遍的Boost电路结合CCM平均电流模式来实现PFC效果。Boost，PFC的基本电路和波形如图2和图3所示：
    
    

    
    

    
    由图可见，电感电流的平均值基本跟随正弦输入电压变化，从而使整个电路具有良好的PF效果，较小的THD含量，减小了变流器对电网的不良影响。
    
    由 于电路的最大输出功率POMAX=300W，DC／DC部分的设计选择功率容量较大、控制相对简单的双管正激拓扑(图4)。该拓扑使用了两个二极管来复位 激磁电流，同时两个MOSFET两端的电压也被箝位在输入电压，因此我们可以选择耐压相对较低，导通电阻相对较小的开关管，有效的降低了电路的导通损耗。 但是由于激磁电流必须在新开关周期开始之前降为零，所以电路的占空比必须限制在0．5以下，从而使激磁能量在一个周期结束之前完全回馈到输入端，避免了可 能出现的变压器偏磁甚至饱和现象。
    
    

    
    2)控制电路设计
    
    充电机部分的控制电路主 要包括负责给充电机部分控制电路供电的辅助电源部分和主功率电路的电源控制芯片部分(包括PFC和DC／DC两部分的控制)，除了恒流参考信号、恒压参考 信号和电路保护信号由电池组部分的单片机发到充电机控制电路外，其余部分的控制功能全部都由充电机的控制电路自主完成。
    
    (1)主功率电源控制部分的设计
    
    由 于电路为PF C+D C／D C的两级形式，为了简化控制电路，我们使用TI公司生产的UCC28517混合控制芯片来实现控制功能。UCC28517是UCC2851x系列中的一 种，这一系列混合控制芯片的一个重要特点，是能够提供上升沿触发PFC信号，下降沿触发PWM信号(TEM／LEM)的功能，可显著地减小了蓄能电容上的 电流纹波。芯片还提供了平均电流模式PFC控制、可选的PFC与PWM频率比(1：1或者1：2)、欠压保护、DC／DC级可编程软启动等等功能。我们选 择的UCC28517频率比为1：2，DC／DC级控制在PFC级输出电压达到额定值的90％时才开始工作，遇到线电压下降或者关断情况，DC／DC控制 级可以在PFC输出电压下降到额定值的47％时才关断，减小了电网波动对电路的影响。
    PFC电路功率因数校正主要是PFC电压调节环和 电流调节环的设计，电压调节环的设计如图5所示，电压调节环的设计不仅仅需要提供电路的稳定性，而且必须衰减二次谐波对THD的影响。电流调节环的设计如 图6所示，与电压调节环不同的是，电流调节环的带宽必须足够大，以使PFC电流能够紧跟输入电压的变化。
    
    DC／DC部分 采用具有电流前馈环节的电流控制模式。电流控制模式由于电流环的前馈作用，使整个系统成为一个单极点的系统，调节环就相对容易稳定。充电器的恒流恒压输出 都通过DC／DC的输出来实现，所以DC／DC部分的控制回路必须要有两个并联的调节环节：电流调节和电压调节。两个调节环的参考值都由单片机提供，电路 如图7所示。
 
    (2)单片机部分及保护电路的设计
    
    在整个智能管理系统 中，单片机作为整个系统的控制者，起着非常重要的作用。它必须能够根据电压、电流采样，判断电池目前所处的状态；针对不同的状态，决定允许哪些操作，禁止 哪些操作，并通过液晶显示告知用户；在电池状态不正常时，它应该能够及时发现并且通过报警手段提醒操作人员的注意。
    
    

    
    

    
    

    
    图 8为电池组部分及其控制电路的示意图。由于电池电压不可能完全放完，因此单片机通过电池组的端压稳压后供电。电池为串联结构，在电池的最负端接一个阻值很 小的电流采样电阻，由于电池组既可以充电也可以放电，因此电流采样电阻上的电压可正可负，需要有一个绝对值放大电路来放大正负电压。绝对值放大电路见图 9。每节电池的正端都有电压采样点，通过电压跟随器将电压信号输送到AD转换器的其中一个通道。使用电压跟随器可以使输入阻抗无穷大，从而减小对电池电流 的抽取，减小电池无谓的功耗，增加电池的使用时间。
    
    

    
    

    
    

    
    

    
    电路在输出30V情况下，整机效率与输出负载电流的关系图如图13所示。
    
    

    
    

    
    充电机输出电压为12．6V，负载为电池组情况下，电路的输出电压纹波如图14所示。可见电压纹波基本控制在50mV左右，能够满足为锂电池充电所需要的电压精度要求。
    
    实验结果表明：以单片机为核心的电池管理系统能够提供高性能、高灵活性的解决方案。