锂离子电池充放电平衡系统设计与实现

安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）I锂离子电池充放电平衡系统的设计与实现专业：电子信息工程 学 号：201203044052姓名：夏雨雷 指导老师：邓华军摘 要随着集成电路的迅速发展，各种电子产品都在朝着便携和小型轻量化的方向发展。供电系统也发生了巨大的变化，由原来笨重的其他材料型电池改为锂离子电池供电。锂离子电池体积小、质量轻、污染小、利用效益高。对充放电控制系统有严格的要求，故拥有一款性能良好的充放电平衡系统非常重要，本设计以STC12C5A60S2 为主控核心，利用 PI 算法控制充电过程中电流动态平衡，系统由显示电路、保护电路、电压采样电路组成。实现对锂离子充放电控制基本功能，提出设计思想和系统结构。系统可靠性好，实用性强，可作为于各种小型电子设备的充放电装置。关键词：锂电池 STC12C5A60S2 PI 算法 采样电路 电流动态平衡 安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）IIDesign and implementation of the charging and discharging balance system for lithium ion batteryWith the rapid development of integrated circuits, all kinds of electronic products are moving in the direction of portable and small lightweight. Great changes have also occurred in the power supply system, which changed from the original bulky other materials to the lithium-ion battery power supply.Lithium ion battery has the advantages of small size, light weight, low pollution and high efficiency. It has strict demand on charging and discharging control system, so it has a good performance of charge and discharge balance system is very important. This design is based on STC12C5A60S2 as the control core, PI algorithm is adopted to control the charging process in the current dynamic balance, the system consists of a display circuit, a protection circuit, a voltage sampling circuit. To achieve the basic functions of lithium ion charge and discharge control, puts forward the design idea and system structure. The system has good reliability, strong practicability, charging and discharging device can be used as small electronic devices in various.Key words: Lithium-ion battery STC12C5A60S2 The indicator light circuit The liquid crystal display circuit Protection circuit安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）目 录1绪论 .11.1课题研究的背景 .11.2课题研究的意义 .11.3课题的国内外研究现状 .11.3.1 国内研究现状 .11.3.2 国外研究现状 .21.4课题研究的主要内容 .22整体设计方案 .32.1 BUCK降压电路选择 .32.2电流控制选择 .32.3总设计系统框架图 .43硬件电路设计 .53.1系统供电电路 .53.2 BUCK电路设计 .53.3输出电压和动态电流平衡设计 .63.3.1 输出电压电路设计 .63.3.2 动态电流电路平衡设计 .63.4控制电路和显示电路设计 .73.4.1 控制电路设计 .73.4.2 显示电路设计 .83.5充电方式选择电路设计 .9安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）3.6系统保护电路设计 .103.6.1 充电过温保护设计 .103.6.2 充电过压保护电路设计 .113.6.3 放电保护设计 .124软件程序设计与实现 .134.1软件设计流程 .134.2 PI控制原理和 PI函数 .144.2.1 PI 控制原理 .144.2.2 PI 控制函数 .155系统测试 .175.1主要测试仪器仪表 .175.2测试方法 .175.3测试结果分析 .186结论 .19参考文献 .20致 谢 .21附录 .22安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）11绪论1.1课题研究的背景锂离子电池是二次能源，具有质量轻、体积小、无污染、放电能力强等优点，是20 世纪动力能源的首选，广泛应用在各个领域，如航天供电系统、医疗供电系统、民用电子产品中，最典型的是手机供电系统。目前中国鼓励大众创业，万众创新，在珠三角以及沿海一带，崛起许多以锂离子二次能源为创新发展的厂商，力图进军锂离子的研发，打造具有中国自主品牌的高性能锂离子电池。锂离子电池的性能与充放电装置有关，其性能取决于充放电装置系统，鉴于此，本文围绕锂离子电池组充放电特性。设计一款功能完善的充放电装置系统。1.2课题研究的意义日异月新的科技变化，许多电子产品都朝着集成化方向发展。供电方式也随之改变，转为体积小、质量轻、放电能力强的锂电池供电。锂离子电池组对充放电装置要求苛刻，充放电装置必须有较高自动控制精度。另外，锂离子电池由于过放，电压较低，充电时需进行预充，电压升高后，才能采用恒压恒流充电，充电完成后，为防止过充，系统必须自动判断，并断开充电电路保护电池。锂离子电池组充放电平衡系统装置是电池能量的补充装置，关系到锂离子电池组的使用寿命和指标，设计一款性能优良的充放电装置意义深远，故实现安全高效充放电控制已成为锂离子电池组推广应用的关键技术。1.3课题的国内外研究现状1.3.1 国内研究现状自锂离子电池问世以来，锂离子电池能量补充装置应运而生，国内锂离子电池充放电装置种类繁多，然而国家监督产品质量抽查结果中，40厂家生产的锂离子电池能量补充装置不合格。有的就是一个简易变压器，缺少保护电路等，使用中易损坏电池。随着小型化电子设备的发展，许多厂家提出以涓流和恒流为主方式充电，进行技术改良，不但提高充电效益，且在保护机制上实现过充保护、过流保护、过温保护等功能。2008 年，联想公司研发的锂离子电池管理芯片，进一步推动锂离子充电器的技术革新，该电池管理芯片功能齐全，适合市场上大部分锂离子电池，被许多生产充电安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）2器的厂家使用，如宏碁笔记本使用的充电器就使用该芯片作为核心控制。2010 年，芝嘉电源公司研发的锂离子电池充电平衡装置，突破锂电池充电过程中的短板，结合涓流充电和恒流充电，根据不同锂电池自动调整充电电流和充电电压 1。但使用开关元器件，电路工作中温度过高，降低了充电效益，2012 年，航嘉电源公司利用二次回流充电方式，设计出一款充电效益高的锂离子电池充电器，充电效益为60%。1.3.2 国外研究现状1990 年日加公司为索尼公司研发的 F707 型数码相机锂离子充电装置，采用并联恒流快充方式，由于采用并联方式充电，内阻比采用串联充电小，能快速进行能量补充，但锂离子电池由于个体存在差异，采取并联充电方式，会降低电池使用寿命。1995 年松下、三洋、汤浅、美国等电源研发公司先后研发了不同类型的锂离子电池充放电装置，均取得了一定效果。法国 SAFT 公司是著名的锂离子电池生产厂商之一，麦克斯先生是该公司的领军人物，他提出了锂离子电池充电重点在于电流动态平衡，强调不同电池组之间千差万别，充电方式也截然不同，简单的充电方式无法满足锂离子电池，在他的带领下，SAFT 公司研发了一款快速的充电平衡装置，采用智能脉冲法循环充电，2014 年日本索尼公司电源研发人员松田山野，利用麦克斯这一原理，研发了针对串联法充电的锂离子动态平衡充电装置，并且在充电通路中，串联一个电感量高的电感，串联电感后使电流具有暂态效应，利用电流互补达到动态平衡，防止因大电流损坏电池。总之，国内外研发和生产锂离子电池充放电装置都有各自的优缺点，本设计在汲取国内外经验的同时，重点对锂离子电池动态电流平衡充电法进行研究，设计一款性能稳定功能齐全的锂离子电池充放电装置系统。1.4课题研究的主要内容综合考虑锂离子电池安全充电及成本，以 STC12C5A60S2 为控制核心，LM2576-ADJ 构成 BUCK 降压变换电路，使用 INA168 时时检测充电电流，利用精准的 PI 算法程序动态控制充电电流，有效克服锂离子电池充过充、过流、充电效率低等缺点，且系统具有过温、过放等功能，当锂离子电池温度为 45时，发出报警声停止充电，电池组放电到设定极限值时，系统自动保护电池，停止对负载供电，系统能对不同锂离子电池组组充电，用户只需选择对应的充电按钮，就能对不同的电池组充电。安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）32整体设计方案2.1 BUCK降压电路选择方案一：以 LM2576-ADJ 集成电源芯片组成 BUCK 型电路恒流控制系统。结构简单，且输出电压稳定可调。方案二：由普通的场效应管组成降压电路，调节占空比宽度，调节电流大小。方案比较：方案一 LM2576-ADJ 集成电源芯片，直接构成 BUCK 电路，电路设计简单，电流容易控制和工作稳定，短时间内容易完成。方案二由场效应管构成的BUCK 电路，还需加外部驱动电路，占空比要求严格，难度较大，短时间内不易完成。综合比较，选择方案一。 2.2电流控制选择方案一：采用 STC12C5A60S2 自带的两路 AD 转换器采集采样电阻两端电压值，与设定好的电压值比较，判断比较结果，编程控制单片机对输出电流补偿，最终恒流输出。方案二：运用 INA168 检测采样电阻电流大小，由 STC12C5A60S2 完成转换 AD转换。方案比较：方案一，采样电阻两端电压太小，AD 采样检测电流不准确，普通的补偿控制达不到系统设计要求。方案二使用 INA168 检测电流，利用 PI 算法使充电过程中电流动态平衡，整个系统的可靠性得到提高，优于其他方法，故选择方案二。安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）42.3总设计系统框架图0 至 32V 的直流电源输入后，一部分降压为 5V，为控制系统供电，另一部分由LM2576-ADJ 构成 BUCK 降压电路，当锂离子电池充电温度超过设定值时，开启保护电路，单片机通过 PI 算法时时检测充电电流，总设计系统框架如图 2-1 所示：是否由 LM2576-ADJ 集成元件构成 BUCK降压电路STC12C5A60S2过压过温检测LCD1602 液晶显示输出电压电流检测0 V36V 直流电源5 V 电源开启保护电路 断开保护电路图 2-1 总设计系统框架安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）53硬件电路设计3.1系统供电电路STC12C5A60S2 和液晶屏供电电压为 5V，采用传统三端稳压方式，选择 LM7805进行稳压输出，对范围为 5-36V 的电压进行稳压，输出电压为 5V，电容 C4 容量为0.1uf，耐压值为 10V，能滤除纹波干扰。如图 3-1 所示：图 3-1 系统供电电路3.2 BUCK电路设计BUCK 降压电路的构成如下图所示 3-2 所示：图 3-2 BUCK 降压电路（1）输入电容 C5 电容 C5 选择铝电解电容，PCB 布线时为减少电磁干，要靠近 LM2576-ADJ 芯片，且使用短引线。vin 输入电压 10 V25 V，理论计算选取 1000 uF/50 V 的电解电容。（2）续流二极管 D2 安顺学院 2016 届本科毕业论文（设计）6理论上二极管流过的电流必须大于 1.2 倍的最大负载电流，LM2576-ADJ 能够承受连续输出短路，故二极管的反向电压等级至少为 1.5 倍的最大输入电压，选择INA5822。（3）电感 L 查阅 LM2576-ADJ 芯片手册选择 150uH 的工字形电感。当选择 150uH 电感时，LM2576-ADJ 发挥最佳功能。电路输出最大电流 1A，电压 8.4V，最大功率 8.4W，电路有热损耗，电路总输出效益不低于 70%。3.3输出电压和动态电流平衡设计3.3.1 输出电压电路设计vout 端串联 R10 和 R11 两个 100K 电阻，分压后经 AD2 送至送单片机 P1.4，利用单片机自带的 AD 转换器进行模数转换，在 LCD1602 显示输出电压，电压采样电路如图 3-3 所示：图 3-3 输出电压电路3.3.2 动态电流电路平衡设计（1）由 Is=Vs/Rs 可知，控制采样电阻 R12 两端电压，就能控制输出电流大小，且 R1、同向放大器 O