智能充放电系统

1、智能电池充、放电系统内容摘要 本文主要介绍常见可充电电池结构和充电原理以及本智能电池充、放电系统的设计原理、应用方向。关键词： 单片机 PWM 恒参量充电 采样一、前言 现在各种场合都存在可充电电池的应用，种类繁多，而市面常见充电器功能比较单一，只能对特定种类的充电电池进行充、放电操作，这就需要配备种类繁多、功能单一的充电器，造成资源浪费和难于管理。本智能电池充、放电系统是基于脉宽调制（PULSE WIDE MODULATIONPWM ）控制驱动MOSFET原理，实现对铅酸电池、锂电池和镍基（镍氢、镍镉）电池的快速恒参量（恒电流、恒电压）充电控制。其控制核心采用AT89S51单片机及单片CMO

2、S快速充电控制器LTC1325CSW，利用软件控制充电过程，能够根据不同电池的充电特性曲线对不同电池进行充、放电控制。充、放电过程中通过ADC采样实现对电池电压、电池温度、环境温度的反馈和充电时间的监测，使用闭环PWM控制，当达到规定值时，结束充电状态。并且可以对充电前和充电过程中发生的故障（电池倒置、短路）进行检测和报警。系统采用模块模式设计，可根据实际情况对充、放电功率MOSFET模块进行增减，以适应不同工况下对电流的需求。由于采用软件控制，可随时通过软件升级以适应新增可充电电池种类或优化已有充电电池充电方法，真正实现多功能、通用型智能化充、放电系统。二、常用可充电电池原理及其充电方法2.

3、1镍基电池2.1.1镍镉电池镍镉电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或者氢氧化钾溶液。充足电后，立即断开充电电路，镍镉电池的电动势可达1.5V左右，但很快下降到1.311.36V。当镍镉电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8h率放电时，电池端电压下降到1.1V后，电池即放完电。在正常使用条件下，镍镉电池的容量效率Ah为67%到75，电能效率Wh为55到65，循环寿命约为2000次。容量效率Ah和电能效率Wh计算公式如下： （U充和U放应取平均电压）镍镉电池使用过程中，如果电量没有被全部放完就开始充电，下次再放电时就不

4、能放出全部电量，这种现象被称为记忆效应。其主要原因是电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的晶体。因此镍镉电池充电前应进行放电操作。图1为镍镉电池以1C速率充电时电池电压、温度曲线。图1 镍镉电池1C速率充电电池电压、温度曲线2.1.2镍氢电池镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。镍氢电池的正极板活性物质为NiOOH（放电时）和Ni（OH）2 (充电时)，负极板的活性物质为H2(放电时)和H2O（充电时），电解液采用30的氢氧化钾溶液。图2为镍氢电池以1C速率充电时电池电压、温度曲线。图2 镍氢电池1

5、C速率充电电池电压、温度曲线2.1.3 镍基电池充电方法镍基电池的充电过程通常可分为：预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。对长期不用或新的电池以及过放电的电池充电时，一开始就用快速充电，会影响电池寿命。因此，应先使用小电流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段称为预充电。快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池电能，快速充电速率一般在1C以上，充电时间由电池容量和充电速率决定。为了避免过充，一些充电器采用小电流充电。镍镉电池在正常充电时，可以接受C/10或更低的充电速率，这样充电时间要10h以上。采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。只要电池接到充电器上，充电器

6、就能对电池提供很小的涓流充电电流。涓流充电器的主要问题充电速度太慢，此外，电池采用低充电速率反复充电时，还会产生晶枝。大部分涓流充电器中，都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证电池充足电后立即关断充电器。快速充电分恒流充电和脉冲充电两种。恒流充电就是以恒定电流对电池充电，脉冲充电就是首先用脉冲电流对电池充电，然后让电池放电，如此循环。放电脉冲的幅值很大，宽度很窄。通常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍左右。虽然放电脉冲的幅值与电池的容量有关，但是，与充电电流的幅值的比例保持不变，脉冲充电时，充电电流波形如图3。图3 脉冲充电电流波形图采用某些快速充电终止法时，快速充电终止后，电池并未充足电。为

7、了保证电池充入100的电量，还应加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3C。在补足充电过程中，温度还会继续上升，当温度超过规定的极限值时，充电器转入涓流充电状态。存放时，镍基电池的电量将按C/30到C/50的放电速率减小，为了补偿电池因自放电损失的电量，补足充电结束后，充电器应自动转入涓流充电过程。涓流充电也称维护充电。根据电池的自放电特性，涓流充电的速率一般都很低。2.1.4 快速充电终止控制方法采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。充足电后如不及时停止快速充电，电池内部的温度和压力将迅速上升，为了保证电池充足电又不过充电，可采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法。定时

8、控制采用1.25C充电速率时，电池1h可以充满；采用2.5C充电速率时，电池30min可充足。因此，根据电池的容量和充电电流，很容易所需的充电时间，这种控制方法最简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池不足，有的电池过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种控制方法。电压控制在电压控制法中，最容易检测到的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：最高电压（Vmax） 从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，电池电压达到规定值时，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池电压

9、也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。电压负增量（） 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素的影响，因此可以比较准确的判断电池是否已充足电。这种控制方法的缺点是：电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池温度较高。此外，镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间才出现负增量，过充电较严重。因此这种控制方式不适用于镍氢电池充电。电压零增量（） 镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过长而损坏电池，通常采用控制法。这种方法的缺点是：在充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，从而造成过早地停止快速充电。为此，目前大多数

10、镍氢电池快速充电器都采用高灵敏的检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。温度控制为了避免损坏电池，电池温度过低时不能快速充电，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有：最高温度（Tmax） 充电过程中，当电池温度达到45时，应立即停止快速充电。电池温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点时热敏电阻响应时间较长，温度检测有一定滞后。同时，电池的最高工作温度与环境温度有关。环境温度过低时，电池充足电温度也达不到45。温升（）：为了消除环境温度影响，可采用温升控制法。当电池温升达到规定值后，立即停止快速充电。为了实现温升控制，必须使用两只热敏电阻，分

11、别检测电池温度和环境温度。温度变化率（）：镍基电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率基本相同，当电池温度每分钟上升1时，应立即停止快速充电。这种充电控制方法，近年来被普遍采用。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高精度，应设法减小热敏电阻非线性的影响。最低温度（Tmin）：当电池温度低于10时，采用大电流快速充电，会影响电池寿命。在这种情况下，充电器应自动转入涓流充电，待电池温度上升到10后，再进入快速充电综合控制上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下，均能可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括定时控制、电压控制和温度控制的综合控制方法

12、。2.2 铅酸电池铅酸蓄电池的充放电过程实为正、负极板上的活性物质和电解液之间不断作用的化学反应过程。不论采用哪种充电制度，铅酸蓄电池的充电过程都必须遵守双极硫酸盐化理论。该过程是可逆的，在充电状态时，正极板上是PbO2,负极板上是海绵状Pb，电解液是化学纯净的硫酸水溶液。在充电过程中，正极板上的PbSO4转化为PbO2，负极板上的PbSO4逐渐转化为海绵状Pb。同时，电解液中硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，因此电解液的比重逐渐增加，蓄电池的端电压也逐渐增加。在放电过程中，正负极板上的活性物质(PbO2和Pb)都不断转变为PbSO4，由于PbSO4的导电性能比较差，所以放电以后，蓄电池的内阻

13、增加。此外，在放电过程中，由于电解液中的硫酸逐渐转变为水，电解液的比重逐渐下降，这样，也使蓄电池的内阻增加，电动势降低。2.2.1铅酸电池的充电方法在充电过程中，蓄电池将出现极化现象：欧姆极化(充电时电池内阻引起电池端电压的升高)，浓差极化(充电时电解液浓度差异造成的过电压)，电化学极化(充电过程中极板上电荷的累积使极板产生的过电位)。(1)极化产生的过电压会阻碍充电电流，放慢电池的化学反应速度。(2)使化学反应过程中的水解加剧，产生大量气体。产生的气体不仅会延缓电池的充电过程，而且对极板有严重的腐蚀作用。(3)电池内部水解将产生大量的热量，使电解液的温度升高。当电池温度升高到一定程度(目前国

14、内定为45e)，会引起极板受热变形，以至损坏。(4)水解所消耗的能量(发热)全系无谓消耗，从而也就降低了充电过程的能量效率指标。从以上分析可以看出，极化所产生的阻流、气泡、温升、耗能等毛病对电池都是极为有害的。此外，充电电流越大，则极化也就越快、越厉害，对电池越不利。如果不设法消除(或缓和)极化现象，难以实现大幅值恒流充电。这也是长期以来人们用小电流进行常规弃电的原因，只有消除了极化，才能大幅度地加大充电电流，缩短时间，达到快速充电的目的。脉冲充放电去极化的机理： 从宏观来看，对任何蓄电池都存在如图4中曲线所示的充电可接受电流曲线，也称作蓄电池的固有充电曲线。当充电电流在曲线以下时，只产生微量

15、析气。当充电电流在曲线以上时，只能增加出气率，而不能提高充电速度。1972年，美国科学家N·J·Mas在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律：(1)蓄电池充电接受比与放电量的平方根成正比；(2)蓄电池的充电接受比与放电电流的对数成正比;(3)蓄电池在以不同放电率放电后，其充电接受比与各放电率的充电接受比的和成正比。综合马斯三定律，由图4可见，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力。也就是说通过反向大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断

16、增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。铅酸电池的恒流充电速率推荐为1.5C，单元电池充电电压为2.452.50V。图5为铅酸电池充电电流、充电时间与电池容量的关系曲线。 图4 铅酸电池脉冲充电特性曲线图 图5 铅酸电池充电时间、电池容量、充电电流特性曲线2.3 锂电池金属锂为阳极的可充电池负极使用各种碳素材料，如软碳、硬碳石墨和石墨化碳纤维，将其同粘结剂（PVDF）一并加入溶剂（NMP）中，搅成稀泥，涂敷在约20um厚的铜箔上，待溶剂蒸发后便为负极活性材料。正极使用预先锂化的过渡金属氧化物，主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4，这三种正极材料互相竞争，只有LiCoO2为正极的锂

17、离子电池从1991开始步入市场，一直处于垄断地位。2.3.1 锂电池充电方法锂电池充电过程通常可分为：预充状态、恒流充电和恒压充电状态。预充阶段 在安装好电池后，当电池电压Vbat低于低压门限VMIN时，先使用恒定的小电流IPRE对电池预充电。恒流充电 在完成预充电或电池电压VBAT低于恒压VREG时，进入恒流充电状态，充电电流在1C左右。图6 锂电池充电特性曲线恒压充电 当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。当充电电流达到终止门限I(TERM)时，停止充电。锂电充电限制电压为4.20V±0.05V。图6为锂电池充电特性曲线。三、设计方案智能电池电源充、放电系统设计主要有四个

18、方面：一、处理器电路设计；二、PMOSFET驱动电路设计；三、电压、电流、温度反馈电路设计；四、充电状态显示电路设计。系统总体设计框图如图7控制处理器显示器充、放电PMOSFET电池电压、电流、温度反馈电路PMOSFET驱动电路图7 总体设计模块框图3.1 控制处理器电路控制处理电路选用的是Atmel公司的AT89S51单片机及Linear公司的LTC1325CSW高性能充电控制IC。3.1.1 AT89S51AT89S51是Atmel公司推出的其低功耗、高性能CMOS 8位单片机3.1.2 LTC1325CSWLTC1325CSW为Linear公司推出的单片CMOS快速充电控制器。它可对镍镉

19、、镍氢、铅酸、锂电池等可充电进行快速充、放电控制，其基本电气数据如表2符号内容最小值典型值最大值单位VDD工作电压4.516VIDD工作电流12002000uAIPD电源关断模式工作电流3050uAVREG内部参考源电压（无负载）3.0473.0723.097V表2 LTC1325CSW基本电气数据在充电模式下，微处理器通过10位ADC监控电池的电压、温度和环境温度。各种充电终止法，比如、都可以由软件精确地实现，LTC1325CSW可同时监控电池的故障状态。3.2 电压、电流、温度反馈电路电压直接反馈回LTC1325CSW，电流通过取样电阻RSENSE检测反馈回LTC1325CSW，温度反馈回

20、路通过负温度系数电阻（NTC）网络检测，反馈回LTC1325CSW。取样电阻RSENSE选择时应考虑以下三种情况：LTC1325CSW的基准电压值VREF和设定的占空比；取样电阻的功耗。为了保证电量检测的线性度，取样电阻上的压降应满足 LTC1325CSW有5种可供选择的占空比和4种VDAC设定值，因此当取样电阻确定后，有20种充电速率可供选择，如表3所示。归一化VDAC占空比11/21/41/81/161(VR1=1,VR0=1)11/21/41/81/161/3(VR1=1,VR0=0)1/31/61/121/241/481/5(VR1=0,VR0=1)1/51/101/201/401/8

21、01/10(VR1=0,VR0=1)1/101/201/401/801/160表3 充电速率设定对于不同的VDAC和占空比的任意组合，充电器平均充电电流由下式给出： 为了简化用NTC热敏电阻检测电池或环境温度的设计，要利用由REG脚电压供电的分压器，如图10所示，该分压器由负载电阻RL和热敏电阻RT组成。图10 LTC1325CSW安全保护或故障检测电路对于给定的热敏电阻来说，RL为某一确定数值时，在满足充电器要求的较窄的温度范围内，分压器输出电压VDIV（T）随温度线性变化。计算RL最容易的方法式采用拐点法并假定分压器输出电压的二阶温度倒数为0。有关公式如下： ； ； ； 式中，是分压器输出

22、电压，是REG脚的电压（3.072V），是当温度为T时热敏电阻的阻值，是在基准温度T0下热敏电阻的阻值，是由热敏电阻的材料决定常数，是T0时热敏电阻RT的温度系数（/）。3.3 程序设计CCTV机器人电源充、放电系统程序主要由主程序和不同可充电电池对应充电子程序构成。主程序主要对各芯片初始化和导向功能。充电器各种功能的实现主要靠调用具体的子程序。子程序有以下几个：LTC1325CSW通讯子程序对LTC1325CSW芯片写入命令及读取ADC值和状态字。以实现对LTC1325CSW芯片的控制，实现各种充电方式、故障监控和充电终止控制。液晶显示器通讯子程序写入相关命令和数据，令液晶显示器显示当前充电器状态。电池类型判别子程序判别接入充电器的电池类型，选择合适的充电控制方式。镍基电池充电子程序确定镍基电池充电的参数，主要是检测接入镍基电池的单元电池串连数量，选择合适的充电电压、电流和终止控制方式。恒参量充电子程序（锂电池及铅酸电池充电子程序）确定锂电池或者铅酸电池的充电参数，主要是检测接入电池的单元电池串连数量，选择合适的充电电压、电流和终止控制方式。延时子程序2.3.1 程序流程图主要程序及子程序流程图如图11、图12及图13下：开始初始化LTC1325CSW初始化液晶显示器读Vcell