（电子科学与技术专业论文）单节锂电池充电管理电路的设计.pdf

东南大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fp o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h em a r k e to ft h es e c o n d a r yb a t t e r i e sw h i c ha r e u s e da st h ep o w e rs u p p l yo fe l e c t r o n i cd e v i c e si sb o o m i n g a n dm a n ya d v a n t a g e so fl i t h i u mi o nb a t t e r y m a k ei tb e c o m et h em a i ns t r e a mo ft h es e c o n d a r yb a t t e r i e s o nt h eo t h e rh a n d , t h ec a p a c i t i e sa n dv o l t a g e o fl i t h i u mi o nb a t t e r ya r ed e c i d e db yb a t t e r yc h a r g i n gc i r c u i t s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e d e s i g no fl i t h i u mi o nb a t t e r yc h a r g i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i t s ，a n dt h i sw o r kh a sg r e a tp r a c t i c a la n d t h e o r e t i e a lv a l u e s t h em e t h o do ft h el i t h i u mi o nb a t t e r yc h a r g i n gi ss t u d i e d ，t h es y s t e ms t r u c t u r ew h i c hi n c l u d e st h r e e p h a s e ：t r i c k l ec h a r g i n gw i t h s m a l lc u r r e n t ，c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n ga n dc o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n gi s a n a l y z e da n dd e s i g n e d b a s e do nt h ed i s c u s s i o na b o v e ，m a i nb l o c k so f t h es y s t e ma r ed e s i g n e d t h em a i n b l o c k sa r ec o n s t a n tc u r r e n tc o n s t a n tv o l t a g ec i r c u i t ，s a m p l i n gc u r r e n tm i r r o rc i r c u i t ，r e c h a r g i n gc i r c u i t , h a n ds h u td o w n ，o v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c tc i r c u i t ，p o w e rd o w nc i r c u i t ，o v e rh e a tp r o t e c tc i r c u i t ，b a t t e r y d e s t r o yc i r c u i t ，v o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t a tl a s t ，t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dl a y o u td e s i g n t h i sc i r c u i ti ss i m u l a t e di nc a d e n c es p e c t r ea n dh s p i c eb a s e do nc s m c0 6p r o c e s s w h e np o w e r s u p p l yv o l t a g ei sl e s st h a n3 6vo rd o r p st ow i t h i n3 0m v o ft h eb a t t e r yv o l t a g e ，c h a r g i n gs t o p w h e nt h e c h i pt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n5 0 ，t h ec h a r g i n gc u r r e n td e c r e a s e t h ec h a r g i n g c u r r e n ti sz e r oa t12 0 ， t h ec h a r g i n gs t o p w h e nt h ep o w e rs u p p l yv o l t a g er a n g ef r o m4 4t o7v ，c h i pt e m p e r a t u r e sr a n g ef r o m 。2 0 t o5 0 。b a t t e r yt e m p e r a t u r eb e t w e e n0a n d4 0 ，t h ec h a r g i n gs y s t e mw o r k sn o r m a l ，a n dc o n s t a n tc u r r e n t c h a r g i n ga c c u r a c yi sl e s st h a n 士l ，c o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n ga c c u r a c yi sl e s st h a n 士5 ，t h ed e s i g ni n t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l i i o nb a t t e r yb a t t e r yc h a r g e r c c c vr e f e r e n c e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 血显聿垒日 期：皂型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理； 研究生签名：1 啦吕章鱼 导师签名： 美i ： 1 3 期：p ，t7 ，1 bz 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 本章首先介绍锂离子电池的发展状况、原理及优缺点，就小型蓄电池性能做了比较，并介绍了 目前锂离子充电器的现状和未来的发展趋势，最后阐述了论文的研究意义、目的和组织架构。 1 1 锂离子电池的简介 传统概念上的电池基本由正极、负极、电解液组成，般分为原电池( 一次性电池) 和蓄电池。 日常所熟悉的锰干电池、碱锰电池都是原电池，铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池都属于蓄电池。而 俗称的“锂电池”是锂原电池和锂离子蓄电池等的统称，我们日常所熟悉的纽扣式( 锂锰) 电池基本上 都是原电池，即锂原电池；手机等使用的锂电池多为锂离子蓄电池，即锂离子电池。 科学技术的发展使得小型便携电子设备高速发展和普及，同时对电源也提出了更高的要求。在 电池研究的发展过程中，由于锂金属的小原子量和最负的标准电极电位的特性，使用金属锂作为电 池的负极，一直以来是电池研究者的努力方向。锂电池首先在电子手表、计算机的c m o s 电源中得 到广泛的使用，2 0 世纪8 0 年代中期以后，出现了金属锂蓄电池商业化产品，与传统的铅酸、镍镉 蓄电池相比，金属锂蓄电池具有工作电压高、能量密度大、工作温度范围宽、自放电率低、清洁无 污染等优点，但由于锂金属的较活泼的化学特性，其在充放电过程，易导致电池内部气体喷出或引 起电池起火爆炸等安全性问题，同时由于循环寿命短等缺点，而难以大规模进入民用电子市场。1 9 7 8 年，科学工作者提出正负极都用锂离子嵌入、脱出的活性物质构成电池，并进行了大量的研究。1 9 9 0 年，日本s o n y 能源技术公司首先推出了以嵌入金属锂的碳材料为负极的实用性蓄电池，由于其克 服了金属锂蓄电池的缺点，又保持了金属锂蓄电池的优点，并使锂离子化来解决锂的安全问题，为 区别“金属锂蓄电池”，而被称为“锂离子蓄电池”，英文缩写为“l i i o n ”。锂离子蓄电池的推出，引发 了世界范围的研究高潮，几年时间便得以广泛应用，2 0 0 0 年，日本锂离子电池销售额更是高达3 万 亿日元川1 2 】【3 1 。 l 、锂离子电池的定义 锂离子电池的定义一般可描述为“以能够吸收并去除锂离子的碳材料作为负极，以能够吸收并去 除锂离子的含有锂离子的金属氧化物作为正极、基于局部化学反应原理的非水蓄电池”。在广义的范 畴内其负极材料也可采用其它材料，如金属氧化物。这里局部反应是指主体分子吸收并去除客体分 子或客体离子的现象。 2 、锂离子电池的原理 蓄电池是可循环利用的，其在正极和负极上的反应都是可逆的，在正负极上均可进行氧化或还 原反应，并且这些反应的可逆性良好，化学稳定性高。在小型二次电池中，镍氢电池在正极上发生 镍氧化物氢氧化物的氧化还原反应，在负极上发生氢质子的氧化还原反应，镍氢电池的负极为吸氢 合金，充电时生成的氢气会迅速进入负极合金中，放电时从负极放出的质子进入正极中。而在锂离 子电池中，充电时锂离子从氧化物正极晶格间脱出、迁移，通过有机电解液的传导嵌入碳材料负极 中，放电时锂离子则从碳材料中脱出向金属氧化物的正极迁移，在充放电过程中，锂离子在正极和 负极之间过来过去的移动，这种情况好象摇动的椅子，所以最初锂离子电池又被称为“摇椅电池”。 l 东南大学硕士学位论文 在正常的充放电情况下，锂离子在碳材料和氧化物的层间的嵌入和脱出，一般只引起层间距的变化， 而不会引起品体结构的破坏，正负极材料的化学结构基本不发生变化。 3 、锂离子电池优缺点 锂离子电池具有以下优点： 1 ) 重量轻、比能量大 在金属中，锂作为电池材料具有的优势在于提供高电压、高能量密度时，重量是最轻的。同时 l 克金属锂的放电容量最大，使用少量的金属锂就可以获得大的电池容量，以此来实现电池的轻量 化。未来锂离子电池的比能量可高达1 5 0 w h k g 和4 0 0 w h l 。 2 ) 使用寿命长 由于容量大，导致使用寿命长，与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池的使用寿命，在相同的电 压下是镍镉、镍氢电池的1 5 倍，在相同的重量下是镍镉、镍氢电池的1 5 2 倍。目前锂离子电池的 循环次数一般在5 0 0 次以上。 3 ) 高工作电压 金属锂的标准电极电位是3 0 5 v ，在所有金属中最低，用作电池的负极，可使电池的工作电压 最高，金属锂较为活泼，但通过使锂离子化这个手段很好地解决了锂的安全性问题。单体锂离子电 池的工作电压高达3 6 v 3 8 v 。 4 ) 自放电率低 由于电解液与电极之间没有化学反应发生，电能损失很少，室温下充满电的锂离子电池储存1 个月后的自放电率为1 0 左右，大大低于镍镉电池的2 5 3 0 、镍氢电池的3 0 - - - 4 0 。 5 ) 无记忆效应、无公害 锂离子电池不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素，同时没有镍镉电池的记忆效应。 6 ) 放电平稳 锂离子电池可连续平稳地放电，曲线平滑，应用在手机、笔记本电脑等电子设备，很容易知道 电池的剩余容量，而不必担心会突然掉电。 尽管锂离子电池具有上述优点，但也存在一下缺点： 1 ) 电池成本较高。主要表现在l i c 0 0 2 的价格高( c o 的资源较小) ，电解质体系提纯困难。 2 ) 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的 放电电流密度，一般适合于中小电流的电器使用。 3 ) 需要保护线路控制。 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压 力过高而导致漏液等问题；故必须在4 1 v - - 4 2 v 的恒压下充电；过放保护：过放会导致活性物质 的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 如表1 1 所示，锂离子电池相对于镍镉电池、镍氢电池、小密铅电池，在能量密度、循环寿命、 充电时间、自放电、工作温度、电池工作电压方面都具有明显优势，尤其锂离子电池可作为绿色环 保电池可放心使用。 2 第一章绪论 表1 1 小型蓄电池的性能比较 = 一= 镍镉电池镍氢电池小密铅电池 锂离子电池 电池特性 能量密度w h k g 4 0 - 6 06 0 8 0 3 01 0 0 循环寿命( 容量损失由1 0 0 到8 0 ) 1 5 0 05 0 02 0 0 5 0 0 5 0 0 - 10 0 0 快充时间m1 52 48 1 63 4 每月自放电( 室温) 2 03 051 0 工作温度- 4 0 6 02 0 6 02 0 石02 0 8 5 电池工作电压 1 2 5 1 2 523 6 每次循环电池平均价格美元 0 0 40 1 4 o 1 00 2 0 开始商业化时间年 1 9 5 0 1 9 9 01 9 7 01 9 9 l 对环境的污染镉严重污染重金属污染重金属污染无污染 1 2 锂电池充电器的现状及发展趋势 在电池充电器i c 市场中，因为相关产品所要求的充电器尺寸越来越小，而且需要改善锂离子电 池充电过程中的温度控制，所以各种线性与开关模式充电器芯片不断涌现。目前锂离子电池是市场 中首选产品。单芯片充电器结构简单，这不仅体现了设计上的优点，同时也导致了两种集成化趋势。 第一种集成着眼于元件的集成，旨在使专用的充电器微控制器的外部元件数量最少。第二种集成则 强调功能的集成，为芯片增加辅助的模块功能，以使其涵盖从充电器控制器到电源管理i c 等的所 有功能。 下面以知名厂商的近期产品为例说明该课题的国内外研究现状【4 1 【5 】【6 】： 表1 - 2 知名公司充电芯片比较 型号 l t c 4 0 5 4m u x 7 4 5 p s 5 0 1 参数 温度- 4 0 8 5 0 7 0 2 0 8 5 充电方式 线性充电开关充电开关充电 效率低9 0 9 0 外加功能 状态指示可配置电池数单片机、2 5 6 e e r o m 、i o 、f l a s h 功能简单 稳压器、a d 转换器等 温度保护 内部二极管热敏电阻外接温度传感器，实现两个位置温度检 测功能 应用 智能手机、g p s笔记本等可配置 厂商l i n e a r m u x a n a l o g i c t e c h 由这几款知名厂家推出的前沿电池管理芯片看出，电池管理芯片的功能越来越强大。 l 、不断加入新的模块以提高性能。在某些区域上电池管理和电源管理的职能已经发生了重叠， 3 东南大学硕十学位论文 在一些新的产品中，电池管理芯片已经整合了完整的d c d c 和l d o 电源管理模块。 2 、电池管理芯片越来越智能化，充电芯片集成了多种数字处理模块和存储模块，使得用户可以 现场可编程进行重新配置参数。如图1 1 所示为智能充电芯片示意图，智能充电系统除了具备基本 的充电模块还包括：a d d a 转换器、微处理器等【7 】【8 】【9 】。 独立式充电芯片 i f - 一一一一一一一一一一五否式磊琵云再一一一一一一 传输 晶体管 线性 调节器 充电控制 的设定 电压以及 电流的决定 广一i ：组合式 ：独立式 锂离了 电池 一a d 转换电路微处理器 ： 图1 1 智能充电芯片示意图 1 3 论文的研究目的和意义 论文研究锂离子电池充电芯片设计，首先比较了锂离子电池各种充电方式的的优缺点，分别设 计了开关充电和线性充电系统，并设计了线性充电电路，设计整合了涓流恒流充电、恒压充电、温 度保护、欠压保护、电池损坏保护并具有充电中止，再启动，手动停机，状态指示等功能，很好的 满足了锂离子电池安全、快速充电的要求。本电路恒流充电精度为5 ，恒压充电精度为l 。温度 低于5 0 时，正常充电，大于5 0 ，充电电流减小，达到1 2 0 ，充电停止。 针对本设计面积小，成本低，充电快速等特点，芯片可广泛应用于蓝牙、p d a 、手机、m p 3 。 适用前景广阔。 1 4 论文组织结构 论文首先对锂离子电池特点进行阐述，并对锂离子电池充电精确控制的必要性给予分析，继而 对充电的方式，系统，电路进行研究。工作内容如下： 比较三种充电方式的优缺点( 线性充电、开关充电、脉冲充电) ，开关充电系统设计，线性充电系 统设计，恒流恒压充电回路设计，充电保护电路设计，其它子模块电路设计，电池模型研究，版图 设计。 论文分为六章，前两章主要阐述锂离子电池特点和原理，第三章进行开关充电系统设计，第四 章设计了一款线性充电方式下的充电管理电路，第五章对电路进行验证并进行版图设计，最后给出 总结。 4 匡 第二章电池充电原理 第二章锂离子电池充电原理 本章主要研究锂离子电池充电原理，主要内容包括以下几块：充电方式，电池模型，充电系统功 能设计。 2 1 充电方式 为了实现对锂离子电池充电过程精确而有效的控制，必须选用某种符合实际应用的充电方式，而 充电方式的不同决定了系统的整体架构和系统性能。实现对锂离子充电的方式包括三种，分别为线性 充电、开关充电、脉冲充电。前两种都是恒流恒压充电策略，后一种则是脉冲充电策略。由于不同的 充电方式决定了不同的充电芯片内部结构，因此，三种充电方式的研究对充电系统的设计有重要意义。 2 1 1 线性充电方式 线性充电方式是三种充电方式中复杂度最小、成本最低的方案。一般由一个传输电能的晶体管、 一些电阻电容和充电的控制电路组成。晶体管m 1 把交流适配器输入的电压降到实时的电池端压大小， 以实现对电池充电。 图2 1 线性充电方式 图2 1 为一个典型的线性充电结构图。电路使用了一个p 沟道m o s f e t 功率管m 1 将交流适配器 输入电压降到电池端压。这种方式不需要输出滤波电路，因此结构比开关充电简单的多。 线性充电方式最大的缺点是功率损耗较大。输入电压与电池电压的压差完全由功率管来承受，功 率管的功耗就是这个压差与充电电流的乘积。如果交流适配器输入电压为5 v ，充电电流为8 0 0 m a ， 电池电压变化范围为2 5 v q 2 v ，那么晶体管上的功耗将在0 6 4 w 一2 w 的范围内变化。线性充电方式 存在功耗大的缺点，但它仍然是便携设备充电的首选。由于这种充电方式无需电感元件，开关动作， 因此它的传导和辐射很小，适合对噪声敏感的无线设备需要，同时它的结构简单、成本低廉，因此， 它在小功率便携式设备的充电方案中具有很大的市场。 2 1 2 开关充电方式 开关充电方式是与线性充电方式完全不同的一种充电方式1 7 1 ，为有效克服线性充电方式的固有缺 点提出。如图2 2 所示的图的开关充电系统结构。首先将交流适配器的输入电压降至略高于电池额定 5 东南大学硕士学位论文 电压再经过变换器对电池负载供电以提高充电效率。由于开关充电的高效率，电路在很宽的交流适配 器输入电压范围和整个电池端压范围内都能保持较小的功耗。因此，采用这种开关方式的充电系统可 以应用在大功率场合。 充电系统的本质是能量的转移，即把电源能量转化为锂离子电池的能量，且能量转化的过程是通 过恒流充电和恒压充电两个阶段实现的。因此开关充电系统相对于b u c k 型d c d c 较为复杂。在电 池电压较低时通过恒流充电系统实现大电流快速充电，当电池电压达到一定值时，系统切换至恒压充 电【l o 】【l l 】。 图2 2 开关充电系统结构 显然，相对线性充电系统，开关充电的缺点也十分明显，除了较大的电路体积和复杂的电路结构 外，还存在较严重的频率干扰问题。引入高频开关和电感元件所导致的e m i 和高频噪声成为系统应 用的一个严重限制。 2 1 3 脉冲充电方式 线性充电方式和开关充电方式同属于恒流恒压充电策略。脉冲充电方式是区别于恒流恒压充电策 略的一种新型充电方式。脉冲充电方式也是从对电池的恒流充电开始的，设充电电流为i c v ，则大部 分的能量在恒流充电阶段被转移到锂离子电池中。如图2 3 所示，在电池电压上升到充电终止电压v c v 后，恒流充电模式将切换至恒压充电模式，而脉冲充电策略则转入真正的脉冲充电阶段。在此阶段中， 脉冲充电采用相同的电流l c v 间歇性对电池进行分时充电，关闭充电电流，电池电压回落，至此交叉。 在充电电流作用下，电池电压将继续上升，当超过充电终止电压v c v 时，重新打开充电回路，并以i c v 进行充电，周而复始的重复以上过程。在这种方式下，电池电荷容量逐渐充满，电池端压下降的速度 也逐渐减慢，当电池电压恢复到v c v 的时间达到预设值，可以认为电池充满。 t c h a r g er e g i o ar e g i o nc h a r g ec o m p l e t e 图2 3 脉冲充电方式的充电示意图 脉冲充电方式融合了前面线性与开关充电的一些优点。在脉冲充电方式下，功率管不是工作在线 性区，而是工作在开关状态，因此，具有与开关充电方式同样高的电源转化效率：脉冲充电与线性充 6 第二苹电池充电原理 电方式类似，无需额外的l c 输出滤波电路，因此不存在开关充电方式中的高频干扰问题，并且电路 的体积也和线性充电方式相差不多。在一些功率较大、密封且空间非常小的应用中，脉冲充电器具 有优势。但是，脉冲充电方式也存在缺点：它需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的 成本。 脉冲充电策略的第一阶段与恒流恒压充电策略相同，都是恒流充电，因此这一阶段所用充电时间 是完全相同的。而脉冲电流充电可以比恒压充电使用更少的时间，从而实现快速充电。表2 1 是三种 充电方式的比较。由表可知：脉冲充电方式的的最大优点是充电时间较短，可应用与快速充电场合； 而线性充电方式的最大优点是成本最小、无噪声，便携式、低功率应用具有明显优势；开关充电方式 的最大优点是效率最高，因此在大功率充电设备中应用前景广阔。 表2 - 1 三种充电方式比较 一 线性开关脉冲 性能参数 充电策略恒流恒压充电先恒流后脉冲充电 设计复杂性低高高 成本 低 中中 噪声低 高 低到中 效率低高中 l c 滤波电路不需要需要不需要 充电时间较长较长短 局限性效率低e m i 和高频噪声限流功能的电源 2 2 电池模型【1 2 i 1 2 0 i 在根据系统指标完成电路设计后，要对电路的功能和性能进行验证，并根据模拟的结果对设计的 电路进行修正，使得其性能最优化。本电路同样要对充电循环过程及恒流恒压充电精度进行验证。然 而，在锂离子电池充电中，必须用实际电路替代电池来模拟电池的充电全过程。通常电池被等效为一 个大电容，且内阻忽略不计，但实际上，电池的内阻、电容是随充电状态变化的，其内部机制非常复 杂。 由于电池复杂的物理动态属性，尽管一些不同层次的电路模型已经用于一些软件中，但还没有一 个非常精确、能广泛应用的模型可用，尤其在电路仿真中。已经提出各种复杂程度不同的电池模型， 从电路电池性能评估到电路仿真，他们提取各种电池行为来优化电池物理设计，表述发电基本机理， 把电池的设计参数和电池电压、电流及电池内浓度等信息相联系。然而，这些模型是用时间变量的偏 微分方程描述的，而问题的解决需要获得若干天的仿真时间、复杂的数学运算法则和很难获取的具体 电池细节参数。同时，抽象的数学模型被用于系统设计、采用经验注意方程或诸如随即逼近等数学方 法，从而预测系统行为，如：电池工作时间、效率或者容量。然而，数学模型不能提供i v 特性。实 际上，大部分数学模型只能应用于具体对象，误差达到5 - 2 0 。例如，p e u k e r t 定理预测时间误差超 过1 0 0 。下面介绍几种较为简单、便于运用的电池模型。 7 东南大学硕士学位论文 电路模型的精确度在电化学模型和数学模型之间，使用电压源、电阻、电容的等效电路，便于应 用于电路仿真，相比数学模型更加直观、有效、容易掌握。目前已经有多种电池( n i c d 、n i m h 、l i i o n 、 p o l y m e rl i i o n ) 的多种模型，火部分模型可归纳成如下几种：理想模型、线性模型、二极管模型、 t h e v e n i n 、阻抗模型、r u n t i m e b a s e dm o d e l s 。 l 、理想模型 图2 - 4 是电池的理想模型。这个模型中，电池用一个简单的电压源代替。所有的内部参数均被忽 略，模型非常简单。然而，模型不能反映电池的内部特性。 2 、线性模型 图2 - 5 是线性的电池模型，此模型中，包含内阻电阻( r ) 和开路电压( e ) 。r 和e 分别是放电状态和 其它参数的函数，如下公式所示： e = e o - k f ( 2 1 ) r = r - k 尺f ( 2 2 ) 式2 1 、2 2 中，e o ：电池充满时，无负载时电压；乒放电状态；：电池充满时负载值；k ，k r 试 验所得常量。 e e r t v 。 图2 _ 4 理想电池模型图2 5 线性电池模型 电池的内阻是敏感的，随着温度和放电深度( d o d ) 发生变化，这个模型没能考虑随温度和d o d 变 化的内阻特性，只能应用于能量e o 无限大的某些计算和仿真场合。 3 、二极管模型 图2 - 6 是基于线性模型改进。这个相对简单的电池模型能满足应用于电池的大部分要求。考虑了 充放电时非线性电池元件特性和依赖于温度变化和电池d o d 。因此，它是电池的最近似模型。 图2 - 6 二极管模型 基于电池特性的上述元件详述如下：1 ) 充放电电阻( r c & 心) ：r c 和r d 内阻是随着温度和放电深 度变化的函数。使用图2 - 6 中二极管的目的是要使得电池在充放电时拥有不同的内阻值；2 ) 充放电周 期电阻( r l e ) - r i c 代表着基于多次充放电周期电阻的恶化电阻；3 ) 电池开路电压e ：e 作为d o d 的 函数代表电池的电动势，被表示成：e = e 0 ，d o d 小于等于6 0 ；e = e 0 k f d o d 大于6 0 ；k 通过 试验获得的常数，f 放电深度( d o d ) ，e 0 浮充时电动势。 4 、t h e v e n i nb a s e dm o d e l s 此模型包括一个理想的无负载电池电压( e o ) ，内阻( r ) ，电容( c o ) 和过压电阻( 凡) ，如图2 - 7 ( a ) r 第二章电池充电原理 所示。元件c o 代表电池电容， c e 电池传递、储存能量就如一个大电容样。 v o ( a ) 标准型( b ) 改进型 图2 7t h e v e n i n 模型 因为模型中每个元件的参数是固定的，而实际应用中，所有的电池参数是由电池环境而定的，会 发生变化。此外，在电池中，内部开路电路电压会下降，这在t h e v e n i n 建模时也没考虑。此模型是基 于线性模型的改进，比线性模型更加精确。图2 - 7 ( b ) 包含电阻( r s 矗i e s ) 和r c 网络，可以预测充电状态 ( s o c ) 的瞬态响应( 假定电路开路电压不变v o c ) ，然而，这种假定不能符合d c 特性和工作时间特性。 虽然通过增加元件，它的改进模型可以获得d c 特性和工作时间特性，但是，它仍然存在几个缺点。 例如，使用可变电容代替v o c ( s o c ) 表示非线性开路电压和s o c ，s o c 使得电容参数非常复杂，需要 对电容积分来获得s o c ，并且具有5 的工作时间误差和连续充放电时0 4 v 电压误差。把开路电压和 s o c 相关联，但不能描述瞬态特性。或者需要额外的数学方程获得s o c 和估计工作时间，不能用于 电路仿真。因就，t h e v e n i n 模型不能精确的预测电池工作情况。 5 、阻抗模型( i m p e d a n c e db a s e dm o d e l s ) 阻抗模型如图2 - 8 所示，采用电化学阻抗光谱分析法获得一个交流等效阻抗模型，然后使用复杂 的等效阻抗网络和阻抗范围匹配，这个过程较为困难和复杂，除此之外，阻抗模型只能工作在特定的 s o c 和温度环境下，因此它们不能预测d c 响应和电池待机时间。 图2 8i m p e d a n c e db a s e dm o d e l s 6 、r u n t i m e b a s e dm o d e l s 如图2 - 9 所示，采用了复杂的电路不能精确地预测工作时间和复变化的电压响应。 羞 巴 i 岁 l h r - 出i v v - _ ( 、，t _ i ) 图2 - 9n m t i m e b a s e dm o d e l s 9 u 6 1 岁 一uo)_g 鼻i王t童蓄 东南大学硕士学位论文 对模型的r u n t i m e 和l - v 特性进行比较，表2 2 表明：这些模型在电路仿真时，各有优缺点。t h e v e n i n 电模型能很好的反映瞬态特性，而无法反映d c 特性；阻抗模型能较好的反映a c 特性，但无法较好 的反映瞬态和d c 特性；同样r u n t i m e b a s e dm o d e l s 只能反映d c 和r u n t i m e 特性。 表2 - 2 三种模型比较 模型t h e v e n i nm o d e l s l m p e d a n c e db a s e dm o d e l s r u n t i m e b a s e dm o d e l s 劳拦 、 d c 无无有 a c 有限制有无 瞬态有有限制有限制 r u n t i m e无无 有 2 3 充电系统功能设计 2 3 1 充电基本要求 电池的电压和容量是充电系统功能实现的最基本要求。如消费类电子产品的额定电压通常为 4 2 v 、8 4 v 、1 6 8 v 等，因此，在充电完成后，锂离子电池的浮充电压要能满足要求。同时，电子产 品的待机时间要求越来越长，因此，电池容量也是充电系统设计的重点之一。实际上充电电压和充电 容量又是相互关联的。 一个好的充电系统除了要具备基本的充电电压和充电容量要求外，尤其要考虑充电策略、充电方 式、充电时间、充电温度、充电最大电流等因素。在2 1 节，充电策略和充电方式已经详细介绍，下 面着重叙述充电时间、充电保护。 1 、充电时间 对便携式电源系统中的充电系统进行设计时， 通充电方式即可；若时间较短，要采用快速充电。 2 、充电保护 首先是考虑充电时间。若充电时间足够长，采用普 实际上，充电时间与充电方式有着密切的关系。 设计充电系统时，充电保护电路是非常关键的一环，例如，电池在过度充电的情形下，容易使得 锂离子还原而金属锂析出，同时造成安全阀破裂因而起火的情形，这是非常危险的，所以必须加过充 电保护电路。除了过充电保护外，还必须加以下几种保护电路。 1 ) 温度保护：在使用温度范围以外进行充电时，电池的功能会被破坏。因此，需要在电池上安 装温度传感器，监视电池的温度。2 ) 充电电池损坏保护：充电过程中，当电池发生损坏，如果继续 充电，可能会发生危险，因此，需要对电池充电时间进行检测。3 ) 欠压闭锁保护：当电源电压不能 满足电池充电要求时，应停止充电，因此，需要对电源电压进行检测。 3 、充电终止 在考虑了充电策略、充电方式、充电时间、充电电压、充电容量以及各种充电保护后，充电终止 也是充电系统中所要考虑的。发生以下几种情况之一，充电循环立即停止。 1 ) 当锂离子电池的电压达到浮充电压，并且充电容量满足要求后，充电状态应立即终止。2 ) 在 l o 第二章电池充电原理 充电过程中，当电池的温度达到预设温度时，充电状态应立即终止。3 ) 当电源电压发生变化，且满 足欠压闭锁条件后，充电循环停止。4 ) 当充电时间过长，超过设定时间，这时，电池可能损坏，为 了避免危险，系统将停止充电。 2 3 2 充电循环 不管采用何种充电方式，欠压闭锁模块、温度检测模块、手动停机模块、时间检测模块都是系统 不可或缺的。下面结合以上模块详细设计系统充电过程。 系统上电稳定后，欠压闭锁模块、手动停机模块、温度检测模块开始正常工作，且与充电状态无 关，持续工作。如果系统检测：1 ) 充电电流大于设定最大充电电流( 手动停机或者电流过大引起) ；2 ) 电源电压较低；3 ) 芯片温度过高；则系统处于停机状态。否则，系统启动充电循环。 当充电电流、温度、电源电压均满足系统要求时，系统开始充电循环。首先对电池电压进行检测， 根据电池电压的情况确定采取何种充电模式。若电池电压小于2 9 v ，则系统选择涓流充电模式，此时 电池充电电流较小，电池电压缓慢上升，当电池电压大于2 9 v ，系统切换至恒流充电模式，此模式中， 较大的充电电流维持恒定，可快速平稳充电，电池电压上升较快。当电池电压达到4 2 v 时，系统再 次切换至恒压充电模式，此模式中，充电速度较慢，充电电流减小，电池电压维持恒定。当充电电流 达到一定值时，电池容量和电池电压均满足系统要求，即电池已经充“满了”。充电终止，系统进入 待机模式，此模式中，系统部分模块工作，其电压由电池提供，因此，电池电压会小幅度下降，当电 池电压再次降到设定值以下，再充电循环启动。 螺 聊 ， 出 脚 鲤 脚 ，- ， ， i 图2 1 0 是充电循环示意图。由图可知：充电过程包括恒流和恒压两个阶段，而在恒流充电之前， 要对锂电池进行预充电( 涓流充电) 。预充电的电流通常为恒流阶段电流的十分之一，预充电的时间可 以人为的设定。虽然此阶段充电时间较长，但它对电池充电起重要的作用：1 ) 电池在封口后迅速充 一部分电量，然后进行恒温处理能够改善电池的初始活化效率，使得电池的初期容量和放电平台有所 提高，尤其适合高倍率放电。2 ) 预充电的多少直接影响电池的高温搁置性能，理想的预充电量一般 为设计容量的3 0 以上。3 ) 预充电的电池经高温搁置后，虽然其开路电压较未预充电的电池低，但 其容量衰减较少，且恢复较快，几乎无需进行预循环，比较适合高温环境中储存和使用。 第三章开关充电系统设计 第三章开关充电系统设计 随着大屏幕、大功率电子设备的广泛应用，对充电效率的要求越来越高，因此，鉴于开关充电高 效的优点，本章着重研究开关充电系统结构。 3 1 开关充电原理 开关充电器通过采用恒定电流和恒定电压的方式将电源能量转换成电池能量。如图3 1 所示，v i n 为输入电源，通常为电源适配器，m ，是主开关管，m 。是同步整流管，它们的开启和关闭受来自控制 电路的脉冲信号控制。基本的工作原理如下：主开关管m p 和整流管m 。的栅由调制器控制，以一定的 频率与占空比d 在信号驱动下交替导通，这样，在主开关管m p 和整流管m 。的公共端v x 产生占空 比为d ，周期为t s = l f 。的矩形波，稳态下典型的v 。( t ) 的波形如图3 - 2 所示。 图3 1 开关充电原理图 v x = v o d t s ( 1 一d ) t s 图3 - 2 降压电路v 。( t ) 波形 图3 3 开关充电功率级示意图 开关充电结构和b u c k 相似，功率管工作在开关状态利用电感元件和电容元件的能量存储特性， 随着功率管不停地导通和关断，直流电源能量断续地经过开关管，暂时以磁场能形式存储在电感器中， 然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，实现恒流、恒压充电。系统由主电路和控制电路组成： 构成开关充电器的主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载， 它们共同完成电能的转换和传递，合称为功率级，如图3 3 所示；控制电路则通过控制功率开关管的 通断实现对充电电流、充电电压的控制。 3 2 开关充电系统结构设计 开关充电系统利用开关的导通、关断实现对电池的高效充电，开关动作是通过p w m 实现的。p w m 是固定高频信号频率，由低频信号来控制输出占空比，体现低频信号的变化趋势，通过高频信号与变 化的低频信号相比较，得到一个占空比信号，p w m 控制突出的优点是重载转换效率高，纹波小、噪 声低。如图3 4 所示。恒流阶段：每个开关周期开关管首先导通，工作于线性区，在占空比d t 。范 围内，v j n = v r r - - v s 脒c e + v o ，电感上有正的压降v 孟v - r ，电感电流线性上升，在d t 刚结束时刻，电 感电流达其最大值，此时输入的能量一部分储存于电感中，一部分转到电容和负载上。此时开关管关 1 3 东南大学硕士学位论文 断，整流管导通，电感上压降为v r ，电感电流将线性- 卜降，在t 。结束时，电感电流达最小值，该过 程电感中储存的能量通n m o s 管流向滤波电容和负载。恒压阶段：在占空比d t 。w 范围内，v 叫通过 p w m 控制实现恒定。 充电系统的本质是能量的转移，即把电源能量转化为锂离子电池的能量，且能量转化的过程是通 过恒流充电和恒压充电两个阶段实现的，因此开关充电系统相对于b u c k 型d c d c 更复杂。在电池 电压较低时通过恒流充电系统实现大电流快速充电，当电池电压达到一定值时，系统切换至恒压充电。 v 图3 4 开关充电控制系统 图3 4 所示，系统由功率级、输出级，恒流恒压控制部分组成。恒流充电时，采用电流调节器参 与电流环反馈，外环采用误差放大器提供反馈，误差放大器c 1 检测输出电压的变化经误差放大器输 出控制电压v c ，并为电感电流设定一个标准。检测到的电感电流转换为电压信号，与控制电压v c 一 同输入电流调节器c 2 共同作用，这样双环反馈的输出信息通过p w m 比较器产生占空比信号，再通 过驱动电路控制功率开关和整流管的交替导通。恒压充电时，c 3 开始工作检测电池输出电压并通过 p w m 比较器产生占空比信号驱动开关管、整流管。 3 3 恒流恒压环路及切换 为了节省充电时间，在充电开始阶段采用大电流快速充电，且充电电流恒定不变，由于电流较大， 为了防止过充，必须对恒流充电过程精确控制。如图3 5 所示，电池电压v 0 同基准电压作用的结果 同电池充电电流比较，得到的误差信号再和三角波比较产生p w m 控制信号控制充电电流。图3 - 6 是 恒压充电控制结构，输出电池电压通过和基准作用产生的误差信号再和三角波比较产生p w m 控制信 号控制充电电压。 i o - 、 图3 - 5 恒流充电控制图3 6 恒压充电控制 在充电过程中，先恒流充电后恒压充电，因此恒流环路与恒压环路不能同时工作，图3 4 中，可 以在运放c 2 和c 3 输出端分别反接一个二极管，这样，哪个运放的输出较低，整个反馈电路的输出 就与输出较低者相同，实现相应的恒流或者恒压控制。在电池充电工作过程中，放过电的电池由于内 阻较小，通过一定的电流不足以使电池端压达到恒压值，所以恒流环将会先起作用，使恒流运放的输 1 4 第三章开关充电系统设计 出变低，而由于恒压环节的输出仍然为高，结果接在恒压运放输出的二极管反向偏置关断，电路呈现 恒流输出。随着恒流充电的进行，电池的端压也随着增高。当端压达到恒压值时，恒压环将取代恒流 环成为实际起作用的调节环，电路实现恒压输出，直到充电完毕。 3 4 开关充电系统建模 由参考文酬2 1 h 2 5 1 中p w m 开关线性化模型得到相应的功率级模型，如图3 7 所示。功率级输入量 为输入电压、占空比；恒流充电时输出量为电池充电电流和恒压充电时为电池电压。r b 盯为负载电池， r l 为电感寄生电阻，r c 为电容寄生电阻，r s 为电流检测小电阻。由图可以求出各传递函数： 1 ) 当0 ：0 时，即占空比不变，输入电压变化对充电电压的影响： 瓯= 卷= 半去 叫- + 去卜l 酉哪吼+ 最h + 矗)l + 足 hr + 足jl + 愿 2 ) 当0 ：0 时，输入电压变化时对充电电流的影响： 瓯：器：b 半盘。 3 ) 当吒= 0 时，即输入电压不变，占空比发生扰动时对充电电压的影响： 啪，=鬻=掣丽bols 口j 凡十 1 5 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 东南大学硕士学位论文 啪) = 糍 ( 3 5 ) 5 ) 当吒= 0 ，d = 0 时，负载对输出电流的影响，即输出阻抗的倒数： r 地) ( + 石1 ) 耻一 ( 3 6 ) 以上传递函数为功率级传递函数，只与电路的拓扑结构有关，而与外部补偿及控制方式无关。该 模型考虑了电感、电容的等效电阻，具有较高的精度。功率级( 恒流控制和恒压控制) 传输函数框图 可表示图3 8