本文介紹鋰離子電池的優勢和對保護電路要求高的特點,用P87LPC767單片機做控制,MAX1758做充電管理,設計了一種在線式的鋰離子電池充放電管理電路,并給出了充電參數的設置方法和充放電控制的狀態流程。為應用鋰離子電池和外電源供電的雙電源系統或儀器的設計提供了一種參考。

1 鋰離子電池的特點

近幾年來,便攜式電子產品的迅猛發展促進了電池技術的更新換代。其中鋰離子電池以高能量密度、高內阻、高電池電壓、高循環次數、低自放電率等特性,脫穎而出,迅速成為市場的主流。據統計,在筆記本電腦和移動電話領域,鋰離子電池的市場占有率分別為80%和60%。根據日本矢野經濟研究所的預測,鋰離子電池正以53.33%的年增長率快速取代傳統的鎳鉻和鎳氫電池市場。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優點和良好的市場前景,但它對保護電路的要求比較高,在使用過程中應嚴格避免出現過充電、過放電現象,放電電流也不宜過大,一般而言,放電速率不應大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖1所示。在一個充電周期內,鋰離子電池在充電開始之前需要檢測電池的電壓和溫度,判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍,則禁止充電。允許充電的電壓范圍是:每節電池2.5V～4.2V;溫度范圍是:2.5℃～50℃。在電池處于深放電的情況下,必須要求充電器具有預充過程,使電池滿足快速充電的條件;然后,根據電池廠商推薦的快速充電速度,一般為1C，充電器對電池進行恒流充電,電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達到所設定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V),恒流充電終止,充電電流快速衰減,充電進入滿充過程;在滿充過程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10以下或滿充時間超時時,轉入頂端截止充電;頂端截止充電時,充電器以極小的充電電流為電池補充能量。頂端截止充電一段時間后,關閉充電。

一般而言,鋰離子電池的安全電壓下限為2.4V,其所要求的誤差精準度并不如充電電壓精確,但亦必須配合適當的過放電延遲時間,以同時兼顧最大使用電量與過放電保護的要求。當電池進行放電動作、電池電壓低于過放電保護電壓時,應當關閉電池放電,避免電池過放電現象發生。當放電電流過大,保護電路應該關閉電池放電,執行過放電電流保護功能。至于保護電流的大小,可以根據負載的大小加以設定。值得注意的是:保護電路不能因為負載需要短時間的大電流而誤動作,保護電路必須提供不同的過放電電流保護延遲時間,提高工作的穩定性。

除此之外,整體鋰離子電池組的保護功能還可以通過電池內部的安全閾作內壓保護,外部電路的熱敏電阻進行高溫保護。

2 在線充放電管理的電路結構

由于鋰離子電池對保護電路要求比較高,在設計充電和放電電路時,應該充分考慮到可能出現的各種情況,并加以保護,以確保電池安全工作。在實際設計中,需要將鋰離子電池應用在長期無人看守的儀器中,要求充放電管理電路可自動監測鋰離子電池、外部供電以及負載的狀態,并做出相應的動作,以確保負載長期穩定地工作,鋰電池安全有效地工作。選擇MAXIM公司生產的鋰離子充電管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生產的低功耗單片機P87LPC767來實現對鋰離子電池的充電和放電管理,以及對電池工作狀態的實時監測,完成外部供電電壓和內部電池電壓的實時切換。充放電管理電路的結構如圖2所示。

3 充電管理電路原理

圖2所示電路的上半部分是用MAX1758構成的1～4節鋰離子電池充電管理電路。MAX1758芯片內部電路包括:輸入調節器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。

輸入電流調節電路用于限制電源的總輸入電流,包括系統負載電流和充電電流。當檢測到輸入電流大于設定的限流門限時,通過降低充電電流可達到限制輸入電流的目的。因為系統工作時電源電流的變化范圍較大,如果充電器沒有輸入電流檢測功能,則輸入電源(墻上適配器或其它直流電源)必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和。這將使電源的成本增高、體積增大。而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求,同時也簡化了輸入電源的設計。圖2中利用MAX1758的CSSP引腳與CSSN引腳之間的外接電阻R1來檢測輸入電流,ISETIN引腳設置檢測門限。需要注意的是:電阻R1上的壓差使充電器的功耗增大、效率降低。為減小壓差,一般應選擇較小的電阻值;但過小的阻值會使內部輸入檢流放大器的失調電壓增大,從而降低電流檢測精度。因此,應綜合考慮,選擇適當的R1值。

電壓檢測電路可與電流檢測電路分別對電池電壓和充電電流進行調節、監測。最大充電電流由ISETOUT引腳的電壓值確定,電池充電終止電壓限定為4.2V,通過VADJ引腳的外接分壓電阻在4.0V～4.4V之間調節。電池節數由CELL引腳設置,CELL引腳接GND、浮空、接REF、接VL分別表示電池節數為1節、2節、3節、4節。MAX1758的電壓檢測精度為±0.8%。電壓檢測和電流檢測結果送入內部主控制器,主控制器通過驅動內部MOSFET導通或斷開以達到控制電流或限制電池電壓的目的。

定時器和溫度檢測器為電池充電提供附加保護。由于充電效率達不到100%,充電時間限定值應留有余量。溫度傳感器應接在THM和GND之前,靠近電池安裝。溫度傳感器可選擇具有負溫度系數的熱敏電阻,+25℃時阻值為10kΩ。Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當的產品。MAX1758以1.2Hz的頻率檢測電池溫度。

4 充電參數設置

4.1 電池終止電壓設置

通過MAX1758的VADJ引腳外接分壓電阻可以設置電池充電終止電壓,分壓電阻應選擇阻值低于100kΩ、精度為1%以上的精密電阻。電池充電終止電壓與電池的化學特性和內部構造有關,具體參數由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓(VVADJ)與電池充電終止電壓(VBATTR)、電池節數(N)、基準電壓(VREF)之間的關系由下式確定:

VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

4.2 充電電流設置

快充過程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值(VIESTOUT)決定,該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調節。當ISETOUT引腳接REF時,電流為最大值(1.5A)。ICHG與VIESTOUT的關系式如下:

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

4.3 輸入電流限制

輸入限流門限IIN由ISETIN引腳的電壓確定,根據下式可確定IIN的值。

IIN=IFSS(VISETIN/VREF)

式中: IFSS=0.1V/R1

4.4 選擇電感

電感值與電流紋波的大小有關。選用較大的電感時電流紋波較小,但如果電感的物理尺寸相同時,電感值越大,通常電感的等效串聯電阻和額定電流較小。從總體指標考慮,電流紋波一般設置為平均充電電流的30%～50%。假設紋波電流與直流充電電流之比為LIR,則電感值由下式確定:

式中:fOSC為充電器內部DC/DC變換器的開關頻率,為300kHz。電感額定電流應大于ICHG[1+LIR/2]。

4.5 充電時間設置

MAX1758內含4個定時時間設置功能,即預充、快充、滿充、頂端截止充電時間。在TIMER1外接電容可設置預充、滿充和頂端截止充電過程的時間限制,在TIMER2上外接電容可設置快充時間限制。充電速率為1C時,典型充電時間設置為(TIMER1與TIMER2的外接電容均為1nF):預充時間為7.5分鐘、快充時間為90分鐘、滿充時間為90分鐘、頂端終止充電時間為45分鐘。

5 過充、過放保護

單片機P87LPC767的主要功能是實時監測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度,并根據監視參數的狀態實現對電池過充、過放、過溫、負載過流的保護,以及與主CPU進行參數交換。

P87LPC767有四個A/D轉換接口,分別用于監測外供電電壓、電池電壓、負載電壓和電池溫度。工作時P87LPC767每20毫秒就對外供電電壓進行一次A/D轉換,讀取外供電電壓值。一旦外供電電壓低于設定值時,P87LPC767就打開功率MOSFETQ1,將負載供電切換到電池上,如圖3。P87LPC767每秒鐘檢測一次電池電壓、負載電壓和電池溫度,判斷電池是否需要充電。若電池電壓低于設定的值,而外供電電壓和溫度都滿足充電的條件,則打開MAX1758,對電池充電,補充電池能量。當電池給負載供電,電池電壓低于安全放電的電壓值(每節電池電壓低于2.4V)時,P87LPC767立刻將Q1關斷,防止電池過放,并將負載、MAX1758等外圍電路關閉,轉入低功耗工作模式,以節省耗電,等待外供電電壓恢復正常時,再重新啟動。如果檢測到負載電壓過低,會認為是過流引起的,也將立即關閉負載,轉入低功耗工作模式,等待外部喚醒。這樣,P87LPC767可以實現電池以及負載電路的保護,使得儀器在外部供電電源不太穩定的環境下可以長期穩定地工作。

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