（电工理论与新技术专业论文）锂离子电池智能管理系统设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e wp o r t a b l e p r o d u c t sa r eb e i n gu s e di np e o p l e sl i f e ，s u c ha su m p ca n ds oo n i no r d e rt om e e t t h e i r sv o l t a g ea n dp o w e rd e m a n d ，l i - i o nb a t t e r ys e r i e sa r ew i d e l yu s e d a c c o r d i n gt o t h i ss t a t u s ，w ed e s i g nas m a r tm a n a g e m e n ts y s t e mf o r3l i i o nb a t t e r i e s i nt h et h e s i s ， t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u n c t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ed e s i g no ft h e s y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ，i se x p a t i a t e dc l e a r l y a tf i r s t ，w es t u d yo nt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i i o nb a t t e r y , c o m b i n e d w i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n d s ，d e t e r m i n et h ep r e l i m i n a r yi m p l e m e n t a t i o ns c h e m e f o re a c hp a r to ft h es y s t e m a n dt h e nt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fs y s t e mo nt h ec o n t r o lo f a v r a t t i n y 4 6 1i sp o s e d i nh a r d w a r e ，t h et h e s i sf o c u s e so nt h eh a r d w a r ed e t a i lc i r c u i ti n c l u d i n gt h em c u s y s t e mb a s e do na t t i n y 4 61 ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r es a m p l i n gc i r c u i t s ，l e d d i s p l a ya n dk e y - p r e s s o nt h ed e s i g no fc h a r g i n gc i r c u i t ，an e wc o n t r o lm e t h o di s a d o p t e db yi n t r o d u c e dp w m i nt h eo p t i c a l c o u p l e rf e e d b a c kl i n ko ft h es i n g l e - c h i p s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a n dt h ed e s i g np r o c e s so fs i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l y i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ek e ya p p a r a t u sc h o i c ea n dp a r a m e t e ra r ea l s od i s c u s s e d f o r mt h ev i e wo fp o w e rr o u t i n g , c h a r g i n gc i r c u i ts u p p l i e db yd ci sa l s od e s i g n e d o n t h ed e s i g no fp r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h ea p p l i c a t i o no fl i i o nb a t t e r i e sp r o t e c t i o ni c $ 8 2 3 3 an o to n l ys o l v es a f e t yi s s u e ，b u ta l s or e a l i z eb a t t e r ye q u a l i z a t i o n i ns o f t w a r e ，t h ed e s i g na d o p t sm o d u l a rs t r u c t u r e ，o fw h i c ht h e p l o t t i n ga n d f u n c t i o no fe a c hm o d u l e ，a n dt h ec a l c u l a t i n gw a yo fr e a l i z a t i o n ，a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ew o r kd e m a n d so ft h es y s t e m ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds o f t w a r e a n t i - i n t e r f e r e n c ea r ed e s i g n e d ，w h i c hi n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y ，d e b u gt h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h er e s u l t s o fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o n sa n d m e t a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：l i i o nb a t t e r y ；b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；a v rm c u ；c c c v c 1 a s s n o ：t m 9 1o 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月e t 签字日期：年月日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：签字日期： 年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张晓冬教授的悉心指导下完成的，张晓冬教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张晓冬老师对我的关心和指导。 张晓冬教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张晓冬老师表示衷心的谢意。 张晓冬教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 由于本论文课题是北京纽曼公司的合作资助项目。在研究过程中，公司的领 导和同事给予了我极大的帮助和支持。特别是要感谢张伟工程师所给予我的无私 的指导和帮助。正是由于他们的指导和支持，才使我的研究得以顺利进行，并最 终完成论文。在此特向他们致以崇高敬意和由衷感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室所有同学对我论文研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业，是我的精神支柱与坚强后盾。 绪论 1 绪论 时代的进步，科技的发展，使得越来越多的电子产品出现在人们的生活当中。 随着这些电子产品的日益普及，其对化学电源提出了更高更新的要求：体积小、 质量轻、能量大、安全性好、无污染。锂离子电池作为本世纪9 0 年代新发展起来 的绿色能源，也是我国能源领域重点支持的高新技术产业，以其高可逆容量、高 电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，成为这些电子产品 的理想电源，并得到广泛应用。 1 1 锂离子电池概述 目前使用的各类电池中，锂离子电池( 也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池) 是近十几年才发展起来的一种新型电源。自2 0 世纪9 0 年代初日本索尼能源开发 公司和加拿大莫里能源公司研制锂离子电池获得成功以来，一直是世界各国竞相 研究开发和应用的热剧。 锂离子电池有别于一般的化学电源，其充放电工作过程是通过锂离子在电池 正负极中的嵌入和脱嵌来实现的。当电池充电时，正极释放出锂离子于电解质中， 这个过程是脱嵌；负极从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入。当电池放电时 发生与上述相反的过程。这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌过程好像摇椅一 样摇来摇去，故有人称锂离子电池为“摇椅电池 【l 】【2 1 。如图1 1 所示。 l g e n 鑫：露h e 3 l 爱：l ：f l ：i u m 爹o x y g e n 嘲g r a p h i ml a y e r s 图1 1 锂离子电池原理 f i g l 一1l i i o nb a t t e r ys c h e m a t i c 北京交通人学硕士论文 尽管锂离子电池问世只有十多年的时间，但已经普遍应用于各种便携式电子 设备中，如笔记本计算机、摄像机、掌上电脑和智能电话等。随着信息化社会的 不断发展，锂离子电池将会在通信、汽车电子、仪器仪表、航空和海洋探索等各 个领域得到更深层次的开发应用。因此研究锂离子电池的特点，掌握其应用方法， 对扩展其在电子设备中的应用，有着重要而实际的意义。 与常用的镍镉( c d n i ) ，镍氢( m h n i ) 电池相比较，锂离子电池有许多优 越特性，主要表现在以下几个方面【l 】。 ( 1 ) 单体锂离子电池的端电压高，为3 6 v 或3 7 v ，而镍镉电池、镍氢电池的 端电压均为1 2 v 。就工作状态而言，锂离子电池稳定放电终止电压一般为镍镉电 池、镍氢电池的3 倍，因此组合使用的锂离子电池容易获得更高的电压。 ( 2 ) 重量比能量( w h k g ) 高，即同重量的锂离子电池提供的能量比其他电池高。 锂离子电池的重量比能量一般在1 0 0 - - , 1 7 0 之间，为镍镉电池、镍氢电池的2 3 倍。 因此同容量的电池，锂离子电池要轻很多。 ( 3 ) 体积比能量( w h l ) 高，即同体积的锂离子电池提供的能量比其他电池高。 锂离子电池的体积比能量一般在2 7 0 - 4 6 0 之间，为镍镉电池、镍氢电池的2 3 倍。 因此同容量的电池，锂离子电池体积小很多。 ( 4 ) 循环使用寿命长。锂离子电池充放电次数5 0 0 1 0 0 0 次，聚合物锂离子 电池则在1 0 0 0 次以上。而镍镉电池、镍氢电池的充放电次数一般为3 0 0 6 0 0 次。 ( 5 ) 没有记忆效应，可随时补充充电。这样就使电池锂离子电池效能得到充 分发挥，而镍镉电池、镍氢电池会有使用了一半而不得不放电后再充电的现象。 ( 6 ) 自放电率低。自放电率又称电荷保持率，是指电池放置不用自动放电的 多少。锂离子电池的自放电率为3 9 ，镍镉电池在2 5 - - , 3 0 之间，镍氢电池在 3 0 - , 3 5 之间。因此，同样环境下锂离子电池保持电荷的时间长。 ( 7 ) 锂离子电池内部采用过流保护、压力保护、隔膜自熔等措施，工作安全、 可靠。 一 ( 8 ) 工作环境温度范围宽，一般可在3 0 - , - + 6 0 之间工作，具有良好的高温和 低温工作性能，特别是在2 0 条件下，仍能够释放出9 0 的容量。 ( 9 ) 锂离子电池不含任何汞( h 曲、镉( c d ) 、铝( p b ) 等有毒元素，是真正的绿色 环保电池。 1 2 课题来源及设计要求 1 2 1 锂离子电池管理系统 2 绪论 为提高锂离子电池的使用寿命，保证锂离子电池的高利用率，人们需要直观 去了解电池的各种参数，甚至是电池组中每节电池的参数，电池管理系统应运而 生。根据锂离子电池的使用特性，锂离子电池管理可以分为充电管理、电池监测 和电池保护3 个部分【2 1 。各部分具体要求如表1 1 所示。 表1 1 锂离子电池管理具体要求 f i g l 一1t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so f m a n a g e m e n ts y s t e mo fl i i o nb a t t e r y 锂离子电池管理在全面测量电池的电压、电流和温度参数的基础上，通过相 应软硬件的配合，按照工作需求，完成对电池的充放电控制，并能在电池充放电 过程中出现过充、过放、过流等异常状态时实现对电池的保护，防止电池损坏及 确保安全。系统的通信功能则为其在智能电子设备中的使用提供了必要保证。 1 2 2 课题背景 目前，针对单节锂离子电池的管理，美信、凌特等公司已有成熟的方案，可 以很好的实现充电管理、电量检测等功能。然而随着u m p c 等较大功率的便携式 电子产品的出现，单节锂离子电池已完全无法满足应用需求。如以6 w 的便携设 备为例，若以单节锂离子电池( 额定电压3 6 v ) 来供电，其要提供的工作电流将 达到1 7 a ，如此大的电流对电池放电来说一般是不允许的。即便允许，若需要电 池能给便携设备提供4 小时的续航时间，则电池的容量至少要达到6 8 0 0 m a h ，这 么大容量的单节电池对于便携式设备应用来说尚不现实。因此，在这些功率较大 的便携电子产品中都采用电池组来供电。但随着供电电压的提高，其对电路板上 器件的耐压要求也相应提高，控制电路难度也相应增加。 为了在电流与电压两方面取得较好的平衡，综合电路损耗、可行性等方面的 考虑，现在在较大功率便携设备的实际应用中，多数生产厂商均采用了三节串联 锂离子电池组来供电。但是相对于单节锂离子电池成熟的管理方案来说，针对于 锂离子电池组的成熟且公开的管理方案就比较少，即使有诸如应用于笔记本电脑 3 北京交通大学硕士论文 等较为成熟的管理方案，如t i 公司的b q 方案，m i c r o c h i p 的p 3 0 1 方案等等，也 存在一些不足之处： ( 1 ) 灵活性不够。有的方案使用固化程序方式。不能很好的适应各应用间的 差异要求。而且目前的方案大多针对笔记本电脑的应用，不能较好的支持新兴电 子产品的应用要求。 ( 2 ) 结构复杂，集成度低。使用比较多的外围分立器件，导致系统稳定性和 可靠性下降，成本增加。 面对日益普及的电子产品对锂离子电池组的迫切需求，及锂离子电池组管理 系统的现状，北京纽曼公司决定研制一种性能稳定、安全可靠、经济适用的针对 锂离子电池组的智能管理系统，本课题正是在这种背景下产生的。 1 2 3 系统设计要求 根据实际应用的需求，本设计对锂离子电池管理系统的基本功能提出了以下 要求： 实现对三节串联锂离子电池组的管理 支持6 w 以下电子设备在线工作需求 完成对锂离子电池组的充电控制 对电池组的过充、过放、过流等异常状态的保护与报警 电池组的均衡控制 电池组剩余电量估计与显示 支持1 2 c 通信功能 优良的e m c 设计 良好的工程化设计 1 3 当前锂离子电池管理方法 当前，锂离子电池管理的实现方法主要有两种【3 j ： 1 基于专用芯片的管理系统 在许多便携式应用中，人们般采用容量相对不大的电池，以求在设备的便 携性与工作时问之间取得一定的平衡。同样的，作为设备内部锂离子电池的管理 系统，其体积和重量也应该尽量缩小。而且，由于电池容量不大，因此电池管理 的内容相对简单。因此，基于专用芯片的锂电池管理在这些设备当中非常普遍。 这些专用芯片在一定的外围电路的配合下，能够实现简单的电池充放电管理和一 4 绪论 些简单的保护功能，完全能够满足一些便携式设备的需要，同时又有效的控制了 设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。目前的芯片有能够单独使用，实现简 单充放电保护功能的；也有带微机控制接口，能够与处理设备协同工作，实现相 对复杂功能的。 但是专用芯片的功能单一，灵活性较差，同时它无法提供圆满的均衡充电方 案，具有一定的应用局限性。 2 基于监控测量的大容量智能化管理系统 在某些应用场合，特别是电池容量较大，性能要求较高的场合，专用芯片由 于其局限性已经失去了用武之地。取而代之的，我们需要一个具有一定处理功能 的设备( 如单片机) 来集中处理采集来的电池数据( 包括电池电压、电流、温度 等) ，通过这些数据判断电池所处的状态，再依据一定的管理方法，对电池采取智 能化的管理方式，以求达到最有效使用电池容量和延长电池使用寿命的目的。 此外，基于微处理器监控测量的锂离子电池管理系统还可通过软件编程适用 于不同型号和容量的电池，实现更加灵活方便的控制。 1 4 论文的主要研究内容 本论文按照系统设计要求，针对三节锂离子电池组的管理需求，采用了基于 单片机处理的智能化管理方法，通过硬件与软件设计，完成系统功能实现。论文 的主要研究内容有： ( 1 ) 详细学习和研究了锂离子电池管理方面的相关的基础知识，包括锂离子 电池的特性，充电方法，充电电路结构，电池电量管理的实现方法及电池均衡管 理等内容，并通过分析比较确定了系统各部分功能的实现方法。 ( 2 ) 针对采用的恒压恒流的充电方式，结合系统要求，设计了以a v r a t t i n y 4 6 1 为核心的控制电路，电池组充电电路，并针对锂离子电池充电电流、电 压等的要求，设计了保护与均衡电路，确保了系统应用的可靠性。 ( 3 ) 在硬件实现的基础上，对系统软件进行了模块化的设计，采用合适的算 法，完成系统的模拟数据采集，充放电控制，剩余电量估计及状态显示，1 2 c 通信 等功能。通过硬件及软件抗干扰措施，提高了系统的电磁兼容性。 锂离子电池管理系统基础研究 2 锂离子电池管理系统基础研究 锂离子电池管理系统作为完善的电源管理与应用系统，主要包括充电管理， 电量管理，均衡管理三部分。本章将就各部分的技术实现方法作以比较，结合系 统设计及应用需求，选择具体的实现方法。 2 1 锂离子电池技术 要想设计品质优良、性能可靠的锂离子电池管理系统，首先就必须得清楚锂 离子电池的特性与要求。本节将详细介绍锂离子电池的充、放电特性、原理及充 电方法等相关知识。 2 1 1 锂离子电池特性 锂离子电池在不同电流下的充、放电特性会不同，因此研究其充、放电特性， 使用正确的充、放电控制对于其的使用安全和延长使用寿命具有很大的理论与应 用意义。电池容量通常用a h ( 安时) 和m a l l ( 毫安时) 表示，1 a h 就是能在l a 的电流下放电1 h 。电池的充电电流常用充电率c 表示，c 为电池的额定容量。例 如，用5 0 0 m a 电流对l a b 的电池充电，其充电速率就是o 5 c 。 1 充电特性儿町 由于锂离子电池对过充电十分敏感，因此为了获得最大限度的储能又不至损 坏电池，其单体充电电压必须严格控制在锂离子电池额定输出值1 的容限范围 内，即4 2 士5 0 m v ，具体视电池型号和厂家而定，充电电流通常应限制在1 c 以下。 如果在锂离子电池的容量接近满充后继续对其充电，其端电压将会超过充电终止 电压而继续上升，从而造成电池发热甚至永久性损坏。 锂离子充电时，在提供的电荷作用下，阴极材料中的l i 原子电离成“离子， 该l i 离子通过电解液移动到阳极c 附近，再与电子复合还原成l i 原子溶于c 中， 6 个c 原子可吸收一个l i 原子。显然，阳极c 能够容纳的“原子数是有限的，并 且，以上复合还原机制是存在一定的概率分布的，复合还原作用随着充电的进行 其机率逐渐下降，这意味着当阳极容纳的l i 原子接近饱和时，其附近未还原的“ 离子数量逐步增加，导致电池电压逐步上升。当发生过充时，将导致阳极电压过 高，同时破坏了阴极材料结构，导致电池损坏。 2 放电特性【5 】【6 】 7 北京交通大学硕士论文 锂离子电池对过放电也十分敏感，如果其放电到一个太低的电压则可能会降 低电池的容量，通常放电电流不应超过1 c 。放电时，单节电池电压不应低于2 2 v 。 若电池电压低于2 2 v ，可能会造成永久性损坏。 锂离子电池放电时，阳极附近的l i 离子经电解液运动到阴极后，经与由电解 液提供的电子进行复合后还原成“原子，溶于阴极材料中，同样因为复合还原的 概率问题，在阴极附近尚留有一定的l i 离子。这样，阳极材料c 中的“原子电 离后以保持阳极附近l i 离子的浓度不变，以保持电压的稳定。阳极电离产生的电 子供给负载以形成驱动电流。放电充分进行后，阳极c 中“原子的数量不断减小， 最终可导致电离的“离子数下降，导致阳极电位逐步下降，同时在阴极未复合的 l i 离子数增加，阴极电位不为零，并且随充电过程而逐步提高，电池电压逐渐下 降。当过放电发生后，电池电压过低，电解液因发生过度反应而致使电池损坏。 因此，当检测到电池电压小于2 5 v 后，必须停止放电。锂离子电池不适合用作大 电流放电，过大电流放电时会降低放电时间( 内部会产生较高的温度而损耗能量) 。 同时，环境温度对电池的放电容量有较大影响，锂离子电池放电时，允许环境温 度范围为一2 0 + 6 0 。 由上可知，在锂离子电池充电或放电过程中发生过充、过放或过流时，会造 成电池的损坏，降低其使用寿命，甚至会引发安全问题。所以在锂离子电池的应 用中必须采取一定的保护措施，限制其充放电电流电压。 2 1 2 锂离子电池充电方法 锂离子电池和其它任何密封式可充电电池一样，要对充电进行控制，不能滥 充，否则就极易损坏电池。 锂离子电池可以采用不同的充电方法，其中最简单的充电方法是恒压充电。 采用恒压充电时，电池电压保持不变( 4 2 v ) ，而充电电流将逐渐降低。当充电 电流降到低于0 1 c 时，就认为电池被充分充电了。为了防止有缺陷的电池无休止 地进行充电，采用了一个备用定时器来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省 成本的方法，但是这种方法却需要很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充 电电压保持恒定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，电 池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。 兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用 恒流恒压充电方法，其充电过程可分为预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段口1 。 如图2 1 所示。 锂离子电池管理系统基础研究 充电 电压 4 2 v 充 预充电恒流充电 电 一 ， ， ， ， ， 一 t 电 流 图2 1 锂离子电池充电特性曲线 f i 9 2 - 1c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f l i - i o nb a t t e r y ( 1 ) 预充电阶段 在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较低( l 且v o g 1 5 0 v ，就要重 新选择芯片，使t i n ys w i t c h 工作在断续模式( d i s c o n t i n u o u sm o d e ) ，这种工作模 式能减少所输出滤波电容的容量，并且允许采用超快恢复二极管甚至快恢复二极 管作为输出整流管，以降低电路成本，此时电磁干扰( 含视频干扰) 最小。 系统硬件设计 【1 0 1 计算初级电感量l p ： t i n ys w i t c hi i i 器件以流限模式工作。开启时，振荡器在每个周期丌始时开通 功率m o s f e t 。电流上升到流限值或达到d m a x 的极限时关断m o s f e t 。由于t i n y s w i t c hi i i 设计的最高流限值与频率是定值，它提供给负载的功率与变压器初级电 感及峰值初级电流的平方成正比。因此，电源的设计要计算实现最大输出功率所 需的变压器初级电感。如果根据功率选择了正确的t i n ys w i t c hi i i ，那么流过电感 内的电流会在达到d m a ) ( 极限前上升到流限值。 三p ：阜z ( 1 - 7 1 ) + 。j 1 ，志，；厂 r ：j 坠堡一1 x ( 1 - 0 7 8 7 ) + 0 7 8 7 ：5 4 0 t h ( 3 1 3 )= = i 一 o 5 ! 一0 6 2 8 2 1 3 0 x 1 0 3 0 7 8 7 0 9 其中，l p 单位为p h ，伪开关频率。当温度升高时会引起i p 、珀勺变化，系数0 9 起补偿的作用。z 为损耗分配系数，z = 1 时全部损耗由次级产生。因输出整流管和 r c d 吸收回路的损耗都反映在次级上，故可将z = 1 定为初始值。 【1 1 】设计高频变压器： 根据磁芯型号与开关电源输出功率的对照情况，我们选用e e 2 0 型的磁芯。 要求最大磁通密度b p 0 1 ，刀朋 1 0 0 0 x 5 4 01 0 0 0 1 8 故满足要求。 【12 计算初级电流有效值i r m s 和次级电流有效值i s r m s ： 不连续模式下的i r m s 和i s r m s 值： ：f 1 3 i p 扣= ：o 3 3 彳 k = b 匾1 - d u n x = 协1 l l - 3 k d 卯u a x ：- 1 9 爿 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) p = ，m 胛( 咖) = 8 0 2 m a ( 3 1 8 ) 根据i r m s 和i s r m s 的值来选择初、次级绕组的导线线径。不要使用小于3 6 a w g 即( p o 1 3 m m 的细导线，以免增加分布电容，适当加粗线径能提高在输出短路时的过 载能力。 【1 3 】确定输出短路电流i o s ： 利用下式计算i o s 值： k = 瓦n p 七= ，知后= 3 8 彳 ( 3 - 1 9 ) 式中，k 是把峰值电流转换成有效值电流的比例系数，属于经验值。对于肖特 基整流管，可选k = o 9 ；而对于超快速恢复二极管应选k = 0 8 。检验i o s 值应小于 二极管电流额定值，否则应重选额定电流高的二极管。 【1 4 】确定输出滤波电容c o u t ； 计算次级纹波电流： i r i p p l e = 研 ( 3 2 0 ) 选择c o t r r ，使i s r m s _ i r i p p l e 。c o o t 宜采用等效串联电阻很低的电解电容。 【1 5 】确定反馈电路和l c 滤波器 t i n ys w i t c h 的反馈电路应从l c 滤波器的前面( 即从c o t r r 正极处) 引出。l c 滤 波器需接在反馈电路之外，并且其谐振频率要尽可能低，以滤除开关噪声电压满 足输出纹波的要求。 反馈电路可采用由稳压管和光耦合器l e d 相串联的电路，通常取l e d 的正向压 降v f = i v ，输出电压就由下面式子确定：v o = v f + v z 。 4 设计结果及结构分析 系统硬佴：设计 ( 1 ) 主要元件参数如下： 高频单片开关电源芯片：p i 公司t i n ys w i t c h i i i 系列t n y 2 8 0 p 。 高频变压器：初级绕组匝数4 5 匝、( p o 2 0 m m 绕线线径； 次级绕组匝数8 匝、q ) 0 5 0 m m 绕线线径。 整流桥：i n 4 0 0 7 组成，电流1 a 、耐压值1 0 0 0 v 。 初级滤波电容：4 7 u f 4 0 0 v 铝电解电容。 r c d 吸收回路：r = 1 5 0 k 2 w ，c = l o o o p 1 k v ( 以聚脂薄膜作绝缘层的陶 瓷电容) 。 旁路电容：0 1 u f 陶瓷电容。 光耦合器件：p c 8 1 7 ( s h a r p ) 。 次级输出整流二极管：超快恢复二极管u g 4 c 或m u r 4 1 0 。 稳压电路：稳压二极管i n 4 7 4 4 。 设计的小功率t n y 2 8 0 p 单片开关电源如图3 1 4 所示。 图3 1 4t n y 2 8 0 p 单片开关电源 f i 9 3 - 1 4s i n g l e - c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt n y 2 8 0 p ( 2 ) 电路结构的补充说明 1 ) 单片开关电源的电磁兼容设计 由于单片开关电源工作在高频、高压、大电流的开关状态，会产生的电磁干 扰，并以传导或辐射的方式向外传播。图3 1 4 中，电路前端由c o ，r o a ，r o b 及 扼流圈l 0 组成的e m i 滤波器，能将电路中的电磁干扰衰减到允许的限度之内。 其中，与交流输入相并联的耦合电容c o ，能够滤除串模干扰，r o a 和r o b 为放泄 电阻，可将c o 上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性，断电后还 能使电源的进线端l 、n 不带电，保证使用的安全性。共模扼流圈l o 实际由共模 电感、串模泄漏电感两部分组成，所以，扼流圈l o 能同时对共模干扰及共模干扰 器到一定的抑制作用。可见，电路前端的e m i 滤波器能较好的解决电路的电磁兼 容问题。 北京交通大学硕f ：论文 2 ) 限流电路 电路输出端l l 除与电容c 3 组成滤波电路外，还与q 2 及r 3 组成了限流电路， 当电路中电流过大时，在l 1 上产生较大压降，致使p n p 管q 2 导通，光藕中发光 二极管导通，通过反馈调节降低输出电流。 此外，输出二极管d 的存在，则避免了电池组的反向放电。 5 单片开关电源工作原理 图3 一1 4 中，单片丌关电源采用基于t n y 2 8 0 p 器件控制的反激式拓扑结构。交 流输入电压经过桥式整流滤波后，得到直流高压输入高频变压器。在t n y 2 8 0 p 的 内部m o s f e t 导通期间，在变压器t 1 初级绕组上的电流会线性增大。电流在初级 侧不断增大时，能量会储存在变压器中。一旦流经m o s f e t 的电流达到器件的电 流限流点，或者达n d m a x ，m o s f e t 将关断。进入导通周期的反激部分。在此期 问，在次级绕组上产生电压，储存在变压器中的能量被传输到输出电容和负载。 由于丌关频率高达1 3 0 k h z ，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整 流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。 该电源采用配稳压管的光藕反馈电路实现1 6 v 的低压直流输出。在图3 1 4 中光 祸反馈电路山稳压管( z d ) 和线性光藕( p c 8 1 7 ) 组成。当输出电压发生变化时， 通过光藕p c 8 1 7 中红外发射管的工作电流也发生相应变化，再通过接收管改e n u v 端的电流，进而控制内部功率m o s f e t 的断、通，去调节输出电压，使输出电压 趋于稳定。 三、单片丌关电源式充电电路实现 在单片丌关电源设计实现的基础上，在其反馈环节中引入单片机p w m 控制即 构成了系统的充电电路。具体电路原理图如图3 1 5 所示。 l 冬j3 15 允【u f 乜“各筠 i i j 冬 f i 9 3 15c h a r g i n gc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m 如图3 一1 5 所示，其电路结构是在单片开关电源的基础上，增加了由r 9 、c 4 组成的r c 电路和r 7 与r 8 组成的外电压检测电路。p w m 控制电路将输入的p w m 3 6 系统硬件设计 波经r c 滤波后转换为模拟电压，控制线性光藕中发光二极管的导通状态。 电路充电控制的基本思想是利用单片机的p w m 端口，在不改变p w m 波周期 的前提下，通过电流及电压的反馈，用软件的方法调整p w m 占空比，从而使电流 或电压按预定的充电流程进行。 因系统进入充电工作状态后，受锂离子电池终止充电电压的限制，其最高电 压不得高于1 2 7 5 v ，且充电过程中电流和电压不可能同时达到最大值，所以开关 电源中的稳压管z d 始终处于截止状态，充电过程完全是由p w m 的控制来实现。 以恒压充电为例，在充电电压调整之前，单片机先快速读取充电电压采样值，然 后将设定的电压值与实际读取值进行比较，若实际电压偏高，则提高p w m 占空比， 使线性光藕p c 8 1 7 的发光二极管中的电流l f 增大，致使t n y 2 8 0 p 的e n 脚置为低 电平，其片内功率m o s f e t 关断，输出电压降低。反之，则降低p w m 占空比一 i f 减小一e n 脚为高电平，片内功率m o s f e t 接通，输出电压升高。在预充电、恒 流充电阶段对电流的调整，是通过采样电阻将电流转换为电压进行的，因此其 p w m 控制调整过程与恒压阶段完全类似。总之，通过p w m 控制，可以实现灵活 的电流电压输出。 3 5 3 直流供电充电电路设计 针对当前供电、充电来源越来越多，便携设备应用场合越来越广的特点，从 电池供电路由( p o w e rr o u t i n g ) 的角度来考虑。在课题研究中也对直流供电充电 电路进行了设计。具体原理图如3 1 6 所示。 n r 上口 t ) 1 2 u 门n 。1 吕v u s b q 2 蒜 - k 3 7 | 。w _ ，g 由 k 蜘 型 。l “l i q r e r - d 1 0d h 0 墨i 1 i 1 0 4 c b 尚 u r c i l i 荸 l ov 【v c c 。 时 t 划 藏 l ：8 肜 障【 _ _ 4 3 i 孽、y ： 6 直流供电充电l 乜路 1 6 d c o w rs u p l yc h a g i n gc i r u i t 6 所示充电电路支持8 - 2 4 v 宽范围的直流及5 vu s b 入，通过如前所 述的tiny461的pwm控制buckboost或boost电路完成对三节锂离子电池组的 北京交通大学硕士论文 充电。 对于u s b 输入来说，考虑到其数据通信功能，u s b 的电压极性必须与管理 系统的极性保持一致。所以u s b 充电的设计上选用了b o o s t 电路。但是，对于宽 范围的直流输入来说，由于b u c k b o o s t 电路的输入与输出极性相反，因此在设计 上如何实现p w m 对m o s 管q 1 的驱动控制显然成为一个亟待解决的问题。 设计中，我们采用光藕的方法较好的解决了这一问题。图3 1 6 中光藕u 1 ( p s 8 7 0 1 ) 为高速光藕，速度可达1 m b i t s ，完全满足a t t i n y 4 6 1 的2 5 0 k h zp w m 控制需求。输入直流电压加在u 1 的v c c 和g n d 之间，为其提供偏置电压。当p w m 加在光藕输入端的电平为低时，光藕中二极管亮，光藕输出导通，控制m o s 管 q 1 导通；反之，当输入端电平为高时，光藕关断，使得m o s 管q l 断开，这样调 节p w m 占空比，通过快速光藕则可实现对输出电压的有效调节与控制。 此电路设计的第二个难点是如何通过同一个p w m 端子完成对b u c k b o o s t 和 b o o s t 电路的切换控制，且在供电路由的选择上要保证宽范围直流充电的优先性。 为此，在电路设计中引入光藕u 2 ( p 5 2 1 ) 来解决，见图3 1 6 。当有直流供电 时，因稳压管d 2 的存在，致使光藕u 2 导通，q 3 关断，q 2 亦断开，则b o o s t 充 电电路无法工作，且p w r c h k 端子一直为低电平。而此时可以通过p w m 控制 b u c k b o o s t 充电电路。因此，通过单片机对p w r c h k 端电平的检测即可判断是 否有直流供电。对u s b 电压的判断则通过u s bc h k 端的电压采样来实现。当单 片机检测到u s b 电压存在而没有直流供电时，则启动p w m 控制b o o s t 充电电路 工作。若直流供电与u s b 同时存在时，则通过软件程序优先启动b u c k b o o s t 充电 控制。 总之，电路中光藕u l 的存在解决了q l 的驱动问题；光藕u 2 则解决了p w m 控制的电路切换与充电电源选择的问题。 本节所设计的充电电路( 如图3 1 6 所示) 完全可以替代前述的单片开关电源 式充电电路，在系统其他硬件与软件几乎不做改动的情况下，直接应用于直流供 电场合，满足系统供电路由需求。 当然，鉴于当前交流供电应用的广泛性，本论文中仍采用了前述的单片开关 电源式充电电路，但本节中所设计的基于b u c k b o o s t 与b o o s t 的直流充电电路仍 具有很大的实用价值。 3 6 保护与均衡电路 3 6 1 电路结构 系统硬件设计 由第2 章锂离子电池的充放电特性可知，由于锂离子电池的化学特性，在使 用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应。但在某些条件下， 如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加 剧则会严重影响锂离子电池的性能与使用寿命，甚至会引起爆炸而导致安全问题， 因此锂离子电池保护电路显得至为重要。 锂离子电池保护电路必须具有以下三个功能( 1 8 】： ( 1 ) 过充监测：过流监测电路可防止锂离子电池的特性劣化、起火及破裂， 确保安全性。 ( 2 ) 过放监测：过放监测电路可防止电池特性劣化，确保锂离子电池的使用 寿命。 ( 3 ) 过电流监测：过电流监测电路可防止f e t 的损坏，并可进行短路保护，以 及确保搬运时的安全性。 此外，根据本系统的应用需求，在第2 章中已确定采用电阻均衡的方法。综合 考虑电池保护与平衡要求的基础上，鉴于单节电池电压采样的非共地性，控制电 路实现的复杂性及保护电路安全的可靠性，我们最终确定了如图3 1 7 所示的电池保 护兼平衡电路。该电路选用精工电子的三节锂离子电池保护芯片$ 8 2 3 3 a 构成，可 对电池电压和回路电流进行有效监测，并通过对m o s 管c f e t 或d f e t 的控制在某 些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。与其它电池保护芯片女h s 8 2 5 4 相比较，$ 8 2 3 3 a 还可通过外接m o s 管f e t i ，f e t 2 及f e t 3 来保证锂离子电池组的 充放电均衡，这是其它类似芯片所不具备的优点。 图3 1 7 电池保护与均衡电路 f i 9 3 17b a t t e r yp r o t e c t i o na n de q u a l i z a t i o nc i r c u i t $ 8 2 3 3 a 系列锂电池组保护电路主要由三路精密电压检测器、逻辑控制电路、 北京交通大学硕十论文 过电流检测电路、过电流延时电路、过放电延时电路、过充电延时电路、充放电 封锁电路、外接放电控制m o s f e t 驱动电路、外接充电控制m o s f e t 驱动电路以及 三路外接单体电池电压调整m o s f e t 驱动电路组成f 1 9 】，如图3 1 8 所示。 3 6 2 保护电路分析 图3 1 8s 8 2 3 3 a 内部结构 f i 9 3 1 8 $ 8 2 3 3 ab l o c kd i a g r a m 如图3 1 7 所示，该保护回路由两个m o s f e t ( c f e t 、d f e t ) 和一个控制芯 片$ 8 2 3 3 a 外加一些阻容元件构成。$ 8 2 3 3 a 负责监测电池电压与回路电流，并控 制两个m o s f e t 的栅极，m o s f e t 在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与 放电回路的导通与关断，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短 路保护功能，其工作原理分析