基于MCU的鋰離子電池有效管理解決方案

    鋰離子電池具有體積小、重量輕、容量高、使用壽命長、無污染、無記憶效應等優點，在消費電子領域及其他場合得到了廣泛應用。采用電池管理器對鋰離子電池的充放電進行有效管理，可以延長電池的使用壽命。目前，鋰離子電池充電器方案主要有采用專用芯片控制構成和采用MCU(單片機)控制降壓型(Buck)變換器兩種方案。專用芯片控制方案構成簡單但功能單一，通常只能對特定參數的鋰離子電池進行充電。但是，不同型號的便攜式產品往往使用不同型號規格的鋰離子電池，如果采用專用芯片，就會造成重復開發和資源浪費。而采用單片機控制。Buck電路則精度高，成本低，而且控制方法靈活，可方便地進行改進和升級，從而適用于不同型號的鋰離子電池。

    本文在介紹鋰離子電池充放電特性的基礎上，設計了一種安全高效的電池管理器。采用單片機控制Buck變換器對電池進行充電控制，同時，增加外部電路在電池充放電過程對電池進行保護，實現對鋰離子電池的有效管理。

    1鋰離子電池充放電特性

    鋰離子電池的正極材料為LiCoO2，負極材料為石墨晶體，這兩種材料都具有層狀結構，允許鋰離子進出。鋰離子電池在充電時發生如下主要化學反應：
    正極：

    負極：

    以上反應均為可逆反應，電池在放電時發生逆反應。在一定的條件下，電池內部還會發生一些副反應，在極端情況下，這些副反應會導致電池電解質燃燒或爆炸。因此，鋰離子電池的安全性能一直都倍受人們的關注。但是，目前關于鋰離子電池中電解質燃燒或爆炸的過程認識還不很統一。可能造成電池著火、爆炸的反應主要有：

    a)Li+在正、負極嵌入后形成的Li1一xCoO2受熱會放出氧氣，而Lixc6遇氧氣就會燃燒，產生大量的熱。

    b)在多次充放電后，石墨負極的表面往往會形成一層SEI膜，阻止電解液與石墨負極之間相互作用。但當溫度升高時，sEI膜會發生分解反應，引起電解質與負極表面發生不可逆反應，導致不可逆容量形成并產生熱量，使溫度進一步上升。

    c)溫度升高時，溶劑與電解質也會發生反應，放出熱量。

    由此可見，鋰離子電池的安全性能和電池容量與溫度密切相關，當電池溫度升高時，電池內部將發生一系列化學反應，導致不可逆容量形成并產生大量熱量。如果電池內部反應產生的熱量遠遠大于電池散熱量，就會使電池溫度達到著火點，引起電池燃燒或爆炸。正是由于鋰離子電池的這些內部特性，使它的充放電速率都受到了限制，它無法像鎳鎘電池那樣，在短時間內急速充電，也無法大電流放電，否則，鋰離子電池的容量、壽命將會減少，甚至引發電池爆炸或燃燒。 兼顧充電過程的安全性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流轉恒壓充電方式。充電初期，先用1 c恒定速率充電，電池電壓逐漸上升。當單體電池電壓上升到4．1 V(或4．2 V)時，充電器轉入恒壓充電方式，單體電池電壓波動控制在50 mV內，此時充電電流逐漸減小，當電流下降至某一設定值時，即可認為電池充電滿。圖1為鋰離子電池的充電特性曲線示意圖。為了保證鋰離子電池的放電容量，通常要求它的最大放電速率為1 c。

    在使用鋰離子電池時，電池的過充與過放也是一個值得注意的問題。鋰離子電池過充時，過量的Li+沒有負極材料可供嵌入，那部分Li+就會在負極表面還原為金屬鋰析出，從而帶來短路的危險，而且，引起正極活性物質結構發生不可逆變化和電解液分解，產生大量氣體，放出大量熱量，使電池溫度和內壓增加，存在爆炸、燃燒等隱患。鋰離子電池過放電時，負極及其表面的SEI膜中的Li+可能全部脫出，SEI膜被破壞。當電池再次充放電循環時，重新形成SEI膜穩定性和致密性可能變差，需要的Li+量較大，由此造成放容量和充放電效率降低。因此，在鋰離子電池充放電時，通常都要求單體電池電壓不得高于4．5 V或低于2．2 V。
2鋰離子電池管理器方案設計

    為了簡化電池的充電要求，管理器與電池同置于電池包外殼內。充電時，可用AC適配器通過管理器的輸入端口對電池充電，放電時，電池通過管理器輸出端口放電。

    下面以兩節2 000 mA·h鋰離子電池為例設計一種Buck型電池管理器。主要接口參數如下：輸入電壓為9 V，恒流充電電流為(2±0．1)A，充電截止電壓為(8．35±0．05)V，單體電池放電截止電壓為2．3 V。

    2．1主電路設計

    管理器主要由功率電路、控制電路和保護電路3部分組成。電池管理器的主電路和控制框圖如圖2所示。L1、C1、D2、Q1等構成Buck電路。R1、R2串聯后并于電池兩端，提供采樣電壓。R3串于充電回路中，提供采樣電流。Q2構成電池放電回路。控制電路由5 V電源、Mcu控制、Q1驅動電路組成。MCU用于監控電池的充電過程，使電池安全高效地充電。根據單片機可實現范圍及PwM精度綜合考慮選擇開關頻率為20 kHz。

    2．1．1 電路的工作原理

    當Ac適配器接通電源R寸，Q2關斷，電池不參與供電，輸入電源通過Dl向負載供電。同時5 V電源工作，Mcu產生PwM信號，使能Q1驅動電路，輸入電源通過Buck電路給電池充電。當AC適配器與電源斷開時，5 V電源被切斷，此時Q1關斷、Q2導通，電池通過Q2給負載供電，實現低壓降放電。

    2．1．2 電路參數的設計原則和選取

    當充電電流下降至c／lO時，即認為電池充電滿。為了保證在整個充電過程中電池充電電流連續，那么，要求電感u的臨界連續電流不高于c／10，即0．2 A。另外，電池充電時，電池電壓波動范圍必須限制為一0．05 V～+0．05 V，即要求電容c1的峰峰值紋波電壓低于O．1 V。由此可計算出所需的L1和cl值。

    為了保證采樣精度和減小電路損耗，選擇R1=R2=150 kΩ。由于R3串于充電回路中，所以R3必須盡量小，否則，會使充電回路壓降變大，損耗增大，充電效率降低，且管理器發熱量大。這里選擇R3=0．02 Ω。

    由于R3很小，所以通過R3采樣得到的電流信號也很小，為了減小采樣數據的相對誤差，必然要對電流采樣信號進行放大。本文采用了一個比例放大電路對電流信號進行放大，其放大倍數根據運算放大器的最大正向輸出電壓和電池的充電電流大小來選擇。放大倍數太大，會使運算放大器工作在非線性區，導致采樣錯誤，放大倍數太小，會增大采樣數據的相對誤差。

    2．2軟件設計

    2．2．1電壓、電流控制算法

    為了實現恒流轉恒壓的充電模式，本文采用電壓、電流雙閉環控制，其控制框圖如圖3所示。

    首先，電壓給定值與電壓采樣值相減，將得到的誤差量進行PI運算，電壓經過PI處理后再經過限幅處理得到電流基準值，輸出至電流數字Pl調節器。然后，電流基準值與電流采樣值相減，將得到的誤差量進行PI運算，電流經過PI處理后再經過限幅得到所需的占空比。MCu就是通過調節PwM信號的占空比，來實現恒流轉恒壓的充電模式。

    2．2．2充電過程控制

    電池的充電過程大致分為預充電、快速充電、補足充電和涓流充電4個階段。

    開始充電時，如果電池的電壓不在快充允許的范圍內，在電池充電初期補插一個預充階段。預充階段電池以C／10恒定電流充電，直到電池的電壓上升到沒定的閾值后進入快充階段。 當電池電壓符合快充條件時，充電過程進入快速充電階段。快速充電階段采用恒流充電方式，以1 C恒定電流充電，直至單節電池電壓上升到4．1V(或4．2 V)。此時，電池應轉入補足充電階段。

    補足充電階段采用恒壓充電方式。在這一階段中，電池電壓不變，電流逐漸減小，當電流小于C／10時，電池充電滿，進入涓流充電階段。

    充電控制和狀態切換在主程序中實現，充電計時和狀態顯示在定時器中斷程序中實現。圖4為主程序流程框圖。

    2．3電池保護

    串聯的各單體電池的容量有一定的差別，在充電過程中，若一個電池已經充足電，另一個電池尚未充足，如果繼續對串聯電池組充電，已充足的那只電池就會過充電。在放電過程中，若一個電池已放完電，另一個電池尚有一定剩余電量，如果繼續放電，先放完電的那只電池將發生過放電。可見，串聯電池組容易出現單體電池過充和過放現象。

    采用單片機可以實現對單體電池的電壓和放電電流的監控，防止單體電池過充和過放，但是這要求單片機始終處于工作狀態，靜態功耗大，在電池放置不使用時，電池還需向單片機供能，這對電池組的輸出容量影響較大。本文采用鋰離子電池專用保護芯片S一8232，該電路可以實現過充、過放、過電流保護，而且工作電流小，具有多種參數型號，可以滿足電池組不同保護參數需求。

    3實驗結果

    根據以上的設計方案，設計了一個鋰離子電池管理器。實驗結果表明，該管理器可以有效防止單體電池過充電和過放電。圖5是根據電池充電過程得出的電池電壓、電流變化曲線。電池從放完電后開始充電到充滿電大約需要4．5 h。預充時，管理器以C／10的恒定電流給電池充電，電池電壓逐漸升至6 V。然后充電電流迅速升至2 A并穩定在2 A左右，此時，電池電壓不斷上升，當電池電壓升至8．35 V時，充電電流開始減小，但電池電壓始終穩定在8．34 V～8．37 V之問。當充電流降至0．2 A左右時，指示燈顯示充電滿，管理器對電池進行涓充，一段時間后，充電結束，此時，電池電壓略微有點下掉。

    4結束語

    本文在介紹鋰離子電池充放電特性的基礎上，設計了一種Buck型電池管理器。該管理器采用單片機對電池的充電電壓和電流進行控制，此外，還采用了專用芯片對單體電池電壓和放電電流進行監控，防止了單體電池過充和過放并限制了電池放電速率，保證了鋰離子電池充放電過程的安全高效，有利于延長鋰離子電池的使用壽命。