基于MCU的锂离子电池有效管理解决方案

锂离子电池具有体积小、重量轻、容量高、使用寿命长、无污染、无记忆效应等优点,在消费电子领域及其他场合得到了广泛应用。采用电池管理器对锂离子电池的充放电进行有效管理,可以延长电池的使用寿命。目前,锂离子电池充电器方案主要有采用专用芯片控制构成和采用mcu(单片机)控制降压型(buck)变换器两种方案。专用芯片控制方案构成简单但功能单一,通常只能对特定参数的锂离子电池进行充电。但是,不同型号的便携式产品往往使用不同型号规格的锂离子电池,如果采用专用芯片,就会造成重复开发和资源浪费。而采用单片机控制。buck电路则精度高,成本低,而且控制方法灵活,可方便地进行改进和升级,从而适用于不同型号的锂离子电池。

  本文在介绍锂离子电池充放电特性的基础上,设计了一种安全高效的电池管理器。采用单片机控制buck变换器对电池进行充电控制,同时,增加外部电路在电池充放电过程对电池进行保护,实现对锂离子电池的有效管理。

  1锂离子电池充放电特性

  锂离子电池的正极材料为licoo2,负极材料为石墨晶体,这两种材料都具有层状结构,允许锂离子进出。

  在一定的条件下,电池内部还会发生一些副反应,在极端情况下,这些副反应会导致电池电解质燃烧或爆炸。因此,锂离子电池的安全性能一直都倍受人们的关注。但是,目前关于锂离子电池中电解质燃烧或爆炸的过程认识还不很统一。可能造成电池着火、爆炸的反应主要有:

  a)li+在正、负极嵌入后形成的li1一xcoo2受热会放出氧气,而lixc6遇氧气就会燃烧,产生大量的热。

  b)在多次充放电后,石墨负极的表面往往会形成一层sei膜,阻止电解液与石墨负极之间相互作用。但当温度升高时,sei膜会发生分解反应,引起电解质与负极表面发生不可逆反应,导致不可逆容量形成并产生热量,使温度进一步上升。

  c)温度升高时,溶剂与电解质也会发生反应,放出热量。

  由此可见,锂离子电池的安全性能和电池容量与温度密切相关,当电池温度升高时,电池内部将发生一系列化学反应,导致不可逆容量形成并产生大量热量。如果电池内部反应产生的热量远远大于电池散热量,就会使电池温度达到着火点,引起电池燃烧或爆炸。正是由于锂离子电池的这些内部特性,使它的充放电速率都受到了限制,它无法像镍镉电池那样,在短时间内急速充电,也无法大电流放电,否则,锂离子电池的容量、寿命将会减少,甚至引发电池爆炸或燃烧。 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转恒压充电方式。充电初期,先用1 c恒定速率充电,电池电压逐渐上升。当单体电池电压上升到4.1 v(或4.2 v)时,充电器转入恒压充电方式,单体电池电压波动控制在50 mv内,此时充电电流逐渐减小,当电流下降至某一设定值时,即可认为电池充电满。图1为锂离子电池的充电特性曲线示意图。为了保证锂离子电池的放电容量,通常要求它的最大放电速率为1 c。

  在使用锂离子电池时,电池的过充与过放也是一个值得注意的问题。锂离子电池过充时,过量的li+没有负极材料可供嵌入,那部分li+就会在负极表面还原为金属锂析出,从而带来短路的危险,而且,引起正极活性物质结构发生不可逆变化和电解液分解,产生大量气体,放出大量热量,使电池温度和内压增加,存在爆炸、燃烧等隐患。锂离子电池过放电时,负极及其表面的sei膜中的li+可能全部脱出,sei膜被破坏。当电池再次充放电循环时,重新形成sei膜稳定性和致密性可能变差,需要的li+量较大,由此造成放容量和充放电效率降低。因此,在锂离子电池充放电时,通常都要求单体电池电压不得高于4.5 v或低于2.2 v。

  2锂离子电池管理器方案设计

  为了简化电池的充电要求,管理器与电池同置于电池包外壳内。充电时,可用ac适配器通过管理器的输入端口对电池充电,放电时,电池通过管理器输出端口放电。

  下面以两节2 000 ma·h锂离子电池为例设计一种buck型电池管理器。主要接口参数如下:输入电压为9 v,恒流充电电流为(2±0.1)a,充电截止电压为(8.35±0.05)v,单体电池放电截止电压为2.3 v。

  2.1主电路设计

  管理器主要由功率电路、控制电路和保护电路3部分组成。电池管理器的主电路和控制框图如图2所示。l1、c1、d2、q1等构成buck电路。r1、r2串联后并于电池两端,提供采样电压。r3串于充电回路中,提供采样电流。q2构成电池放电回路。控制电路由5 v电源|稳压器、mcu控制、q1驱动电路组成。mcu用于监控电池的充电过程,使电池安全高效地充电。根据单片机可实现范围及pwm精度综合考虑选择开关频率为20 khz。

  2.1.1 电路的工作原理

  当ac适配器接通电源r寸,q2关断,电池不参与供电,输入电源通过dl向负载供电

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发布日期:2019年07月01日  所属分类:参考设计