電池充電控制器論-文庫(kù)吧
2024-12-24 09:54 本頁(yè)面
【正文】 種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電的優(yōu)缺點(diǎn)上，考慮到雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于其充電時(shí)間短，充電效率高，因此本文所設(shè)計(jì)的智能電器充電控制部分將采用恒流恒壓充電方法。 智能電源控制器設(shè)計(jì)包括三部分：控制電路，充電電路，顯示等外圍電路。并完成這三部分相關(guān)的程序設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)智能充電，液晶顯示，看門狗功能。智能電器工作時(shí)不可避免會(huì)受到外界的干擾，這些干擾輕則導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò) ,重則將嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行。為了保護(hù)數(shù)據(jù)，抑制干擾，在單片機(jī)智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。這里看門狗功能設(shè)計(jì)可保證智能電器的正常工作。 最后，給出采用本智能電源管理控制器對(duì)鋰離子電池充電的仿真。 第二章 鋰電池充電控制器設(shè)計(jì)基本原理概述 鋰電池的測(cè)量原理 鋰電池性能參數(shù)及測(cè)量方法 1）電池電壓 鋰離子電池的開(kāi)路電壓與電池的正負(fù)極材料、電池的充電狀態(tài)有關(guān)。電池的額定電壓有 和 兩種，目前使用比較普遍的是 的電池。該電池 的充電終止電壓為 ，放電終止電壓一般為(不同的廠商有不同的推薦值 )。從表 [可以看出，鋰離子電池的電壓相當(dāng)于鎳鎘、鎳氫電池的三倍，也就是說(shuō)，為了得到同樣的電池組端電壓，鋰離子電池的使用數(shù)目只有鎳鎘、鎳氫電池的 1/3，大大減少了電池的數(shù)目，簡(jiǎn)化了電池組的設(shè)計(jì)、增加了整個(gè)電池組穩(wěn)定性。 表 電池工作電壓 Table Battery voltage 電池種類 充電電壓（ V） 額定電壓 (V) 放電終止電壓 (V) 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 但是鋰離子電池對(duì)電壓精度的要求很高，誤差不能超過(guò) 1%。如果電池的終止充電電壓是 ，那么允許的誤差范圍就是 。終止電壓過(guò)高，將會(huì)影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過(guò)充現(xiàn)象，對(duì)電池造成永久性的損壞：終止電壓過(guò)低，又會(huì)使充電不完全，電池的可使用時(shí)間變短。 實(shí)驗(yàn)測(cè)得充放電時(shí)電池電壓隨電池容量變化的關(guān)系。如圖 ，電池終止電壓為 。可以發(fā)現(xiàn)充電時(shí)電池的端壓要比放電時(shí)高，這是因?yàn)殡姵乇旧砗统浞烹娀芈飞嫌幸欢ǖ碾娮琛? 圖 電池電壓與容量 的關(guān)系 Fig The relationship between the battery voltage and capacity 我們把電阻等效為 dR ， 如圖 ，那么充電時(shí)的端電壓表達(dá)式為： argO c e ll d c h eV V R I?? () 相應(yīng)的，放電時(shí)端電壓表達(dá)式為： argO c e ll d c h eV V R I?? () 圖 電池充放電等效回路 Fig Battery charging and discharging equivalent circuit 從這兩個(gè)公式可以看出，在充電和放電時(shí) (這里假設(shè)充電電流等同于放電電流 )，電池端壓所表示的值都不是真正電池的電動(dòng)勢(shì)，而是加上了電池組內(nèi)阻的影響。 實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)得不同的放電率下，電池電壓的變化。放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低，電池終止電壓為 ，如圖 所示。 鋰離子電池的 使用環(huán)境溫度范圍比較寬，可以達(dá)到 20～ 60℃。但是環(huán)境溫度對(duì)電池的放電容量有很大影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得環(huán)境溫度對(duì)電池放電的影響，如圖 所示。采用 放電速率，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，可放出額定容量；當(dāng)環(huán)境溫度為 5℃時(shí)，電池容量下降約 5%。電池放電曲線隨溫度的變化如圖 所示。 圖 不同放電率下，電池電壓與容量的關(guān)系 Fig In different discharge rate, the relationship between the battery voltage and capacity 圖 溫度為參變量的放電曲線（電池容量為 650mAh） Fig Temperature parameter for the discharge of the curve 2）電池壽命 鋰離子電池和其他電池一樣，也存在使用壽命的問(wèn)題。在正確使用的前提下，容量也會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)慢慢減少。造成這一現(xiàn)象的原因主要有一下兩點(diǎn)： 1) 負(fù)極材料 (石墨 )中的鋰逐漸被電解質(zhì)氧化，造成可使用的鋰離子數(shù)目減少。 2) 在循環(huán)中，正極材料的老化，降級(jí)，使晶狀結(jié)構(gòu)慢慢遭到破壞，可容納的鋰離子數(shù)目減少 。圖 表示了不同循環(huán)次數(shù)下電池容量的變化。 圖 電池在 1C 的放電率下容量隨循環(huán)次數(shù)的變化 Fig In battery discharge rate of 1C the capacity changes with the number of cycles 3） 充放電電流 鋰離子電池對(duì)充放電的最大電流都有一定的限制。充電時(shí)，一般常用的充電率為 ～ 1C（ C為電池的容量，比如 1500mAh 的鋰離子電池， 1 C 的充電率即為 1500mA）。在大電流充電時(shí)，還應(yīng)檢測(cè)電池的溫 度，以防過(guò)熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。 同樣的，鋰離子電池的最大放電電流一般限制在 2～ 3C 左右，更大的放電電流會(huì)使電池發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時(shí)，大電流放電還將影響電池能放出的容量，因?yàn)橐徊糠帜芰哭D(zhuǎn)化成了熱能。 過(guò)充，過(guò)放及過(guò)溫現(xiàn)象 當(dāng)加在鋰離子電池兩端的電壓超過(guò) 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)充現(xiàn)象。過(guò)充時(shí)負(fù)極的石墨嵌入的鋰離子完全飽和，鋰將在負(fù)極沉積下來(lái)，形成鋰枝晶，使電池的容量減少；同時(shí)電池繼續(xù)從正極抽出過(guò)量的鋰離子，造成正極材料的活性降低，也會(huì)對(duì)電池的容量造成損害。 過(guò)放現(xiàn)象則是電池電壓低于放電終止電壓后，仍然繼續(xù)放電，使電池電壓繼續(xù)降低。過(guò)放時(shí)，電極產(chǎn)生晶枝，電路迅速短路。雖然此時(shí)由于電池已經(jīng)完全放電，不會(huì)造成安全方面的問(wèn)題，但是電池也已經(jīng)遭到了不可恢復(fù)的破壞，不能再繼續(xù)使用了。 過(guò)溫時(shí)，鋰離子電池中的活性物質(zhì) (LiC6， LiNiO2)與電解液可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生更多的熱量。而電解質(zhì)中存在可燃的有機(jī)溶劑成分。在這種情況下，電池溫度將失去控制越來(lái)越高，最終導(dǎo)致電池燃燒，甚至爆炸。 充電控制器的充電原理 目前鋰電池充電主要有四種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流 恒壓充電和脈沖充電。 1）恒流充電（ CC） 恒流充電根據(jù)其充電電流的大小，又可分為浮充充電（又稱涓流充電）、標(biāo)準(zhǔn)充電及快速充電。該方法在整個(gè)充電過(guò)程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖 所示。這種方法操作簡(jiǎn)單，易于做到，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。 圖 恒流充電法曲線 Fig Constant current charge curve 2）恒壓充電法（ CV） 在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖 所示。從圖中可以看出，充電初期充電電流過(guò)大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響。 圖 恒壓充電法曲線 Fig Constant voltage charge curve 3）恒流恒壓充電法（ CC/CV） 在 CC/CV 充電器中，充電通過(guò)恒定電流開(kāi)始。在恒流充電 CC 周期中，為了防止 過(guò)度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在 CC充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充電到大約 85%的容量。在 CV 周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的 1/10 容量時(shí)，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖 所示。 圖 恒流恒壓充電法曲線 Fig Constant current and voltage charge curve 4）脈沖充電法 脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖 充電法是從對(duì)電池的恒流充電開(kāi)始的，大部分的能量在恒流充電過(guò)程中被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓 VCV 后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對(duì)電池進(jìn)行充電。每次充電時(shí)間為 TC 后 ,
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