【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，還在于諸多其他的方面，比如說(shuō)充電速度的快慢 、電量的計(jì)算 等。 在安全方面， 一個(gè) 高性能的鋰離子電池充電器， 以保證鋰離子電池在使用中避 20 免過(guò)充電、過(guò)放電等損害現(xiàn)象的發(fā)生，從而，隨之帶來(lái)的是要求鋰電池充電器具有嚴(yán)格與完善的保護(hù)電路，才能真正實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)安全保護(hù)特性。 在安全對(duì)鋰電池充電的同時(shí)加快充電的速度，使使用者在短時(shí)間內(nèi)能對(duì)鋰電池再次的使用。 研究意義 鋰離子充電器能對(duì)軍用方面的鋰離子電池進(jìn)行安全的充電，對(duì) 單體過(guò)壓保護(hù) 、整體的過(guò)呀保護(hù)、短路、開路、短接時(shí) 的都能有一個(gè)對(duì)電池的保護(hù)作用。在安全的同時(shí)，加快對(duì)鋰離子電池組的充電時(shí)間，這樣，鋰離子電池組 就能 盡快的投入到下次的使用當(dāng)去。 3 鋰離子電池組用充電器的設(shè)計(jì) 鋰離子電池組用充電器的設(shè)計(jì)要求 鋰離子電池組充電器設(shè)計(jì)要求 35Ah 鋰離子電池組充電器是 35Ah 鋰離子電池組的專用充電設(shè)備，要求該設(shè)備能自動(dòng)以先恒流后恒壓的方式對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行充電，同時(shí)可以顯示各單體電池的電壓、單體電池充電狀態(tài)、電池組總電壓和充電器總電流。 功能設(shè)計(jì)要求 35Ah 鋰離子電池組為 2 并 7 串組成，共 14 支單體電池。單體電池實(shí)際容量約21Ah，電池組實(shí)際容量約 42Ah。其中將兩個(gè)并聯(lián)的單體電池定義為一節(jié)電池。鋰離子電池組充電器應(yīng)對(duì)每 節(jié)電池單獨(dú)進(jìn)行充電，而不是整組串聯(lián)充電。 a）設(shè)備應(yīng)提供的充電方式為：對(duì)每節(jié)電池，先恒流充電到一定的電壓（ ），再恒壓 （此時(shí)充電電流會(huì)逐漸下降），當(dāng)電流值下降到一定數(shù)值（暫定 ）時(shí)，可認(rèn)為充電完成。恒流充電電流為 4A，充電時(shí)間應(yīng)小于 10 小時(shí)。 b）單體過(guò)壓保護(hù)：電池單體恒壓充電的電壓為 ，當(dāng)單體電壓大于 時(shí)應(yīng)能自動(dòng)停止充電 c）故障保護(hù)：當(dāng)輸出端或電池組發(fā)生短路、開路、反接時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)停止充電 21 d）電池組過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)電池組電壓大于 30V 時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)停止充電 e）面板顯示信 息：充電時(shí)應(yīng)能顯示七節(jié)電池各自的實(shí)時(shí)電壓，電池組總電壓，充滿狀態(tài)指示。 主要技術(shù)參數(shù)要求 35Ah 鋰離子電池組充電器的主要技術(shù)要求如下： a）輸入電壓 輸入電壓指設(shè)備工作時(shí)所需要提供的電源電壓要求，包含電壓參數(shù)要求和頻率參數(shù)要求，具體要求為：輸入電壓交流 220V177。 10%，輸入頻率 50Hz177。 1%，該設(shè)備主要工作與市電供應(yīng)的場(chǎng)合。 b）充電精度 充電精度要求包含恒壓精度要求和恒流精度要求兩個(gè)方面。 恒壓精度要求指的是電池組最終所要達(dá)到的電壓。由于鋰離子電池組對(duì)電壓要求十分敏感，電壓的精度直接影響電池 組所能達(dá)到的容量，因此，對(duì)于不同的電池組有不同的電壓要求，尤其對(duì)于本設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的這種特殊使用場(chǎng)合要求就更加嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)對(duì)恒壓精度要求為 177。 。 恒流精度指的是蓄電池組在恒流充電狀態(tài)時(shí)的平均輸入電流。該電流直接影響到充電時(shí)間的快慢。如 42Ah 容量的電池組在 4A 的充電狀態(tài)下需要充電42Ah/4A=，在 6A 的充電狀態(tài)下需要充電 42Ah/6A=7h ,因此直接影響到充電完成時(shí)間。在考慮基本充電時(shí)間的同時(shí)還要考慮電池的化學(xué)轉(zhuǎn)換速度，電池的發(fā)熱情況，以及導(dǎo)線在大電流下所消耗的額外能量等。本充電 器設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮到充電時(shí)間小于一個(gè)工作間隙（ 12 小時(shí)），同時(shí)盡量減少電纜線對(duì)電源的損耗，因此本設(shè)計(jì)確定的恒流充電電流為 4A177。 。 c）均衡要求 均衡要求指的是充電完成后各單體電池之間的電壓差。主要反映了各電池均衡程度。由于在使用中各電池特性會(huì)有所差異，因此，在每次放電結(jié)束進(jìn)行充電時(shí)必須保證各單體電池充到相同的電量水平，否則會(huì)造成部分電池長(zhǎng)期處于虧電運(yùn)行狀態(tài)，從而影響電池組的壽命和容量。本設(shè)計(jì)中要求在完成充電并待電壓穩(wěn)定后各單體單池電壓差 。 22 d）絕緣電阻 本設(shè)計(jì)的充電器使用場(chǎng)合為室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 ，如停機(jī)棚、大型工棚等場(chǎng)合，因此對(duì)絕緣電阻有一定要求。具體要求為絕緣電阻正常環(huán)境條件下應(yīng)大于 50MΩ ，濕態(tài)環(huán)境條件下不小于 2MΩ e）工作溫度 如前所述，本設(shè)計(jì)的充電器使用場(chǎng)合為室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，因此必須考慮工作溫度所可能的大范圍變化。據(jù)實(shí)際測(cè)量，可能的工作環(huán)境變化范圍為： 10℃～ 55℃。 f）外形尺寸 外形尺寸主要是便于運(yùn)輸和安裝。本設(shè)計(jì)使用了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱尺寸，大約尺寸為480mm*400mm*198mm，帶獨(dú)立的把手和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝孔，可使用單機(jī)使用或安裝于機(jī)柜使用。 電氣 設(shè)計(jì) 電氣結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 整個(gè)鋰離子電池組用充電器有 7個(gè)單體充電和保護(hù)電路組成。 每個(gè)單體充電器有獨(dú)立的 220V12V 開關(guān)電源供電，每個(gè)單體充電模塊可提供一個(gè)單體電池的恒壓恒流充電，并可獨(dú)立調(diào)整。除充電功能外，單體充電模塊可提供對(duì)單體電池的過(guò)壓、欠壓保護(hù)。 充電器中， 7 個(gè) 獨(dú)立的 單體 充電器 組成一個(gè)整體， 整體的供電由電池組保護(hù)電路控制。電池組保護(hù)電路由溫度檢測(cè)電路、過(guò)壓檢測(cè)電路 和保護(hù)開關(guān) 組成 。 溫度 保護(hù)電路有一個(gè)熱敏元件 Rt用來(lái)檢測(cè)機(jī)箱內(nèi)溫度 ，當(dāng)整個(gè)充電器 機(jī)箱 中的溫度有異常情況的時(shí)候，電池組保護(hù)電路動(dòng)作， 保護(hù)開關(guān)斷開，所有鋰電池充 電停止。由于溫度過(guò)高往往是由于其他故障引起的，因此該保護(hù)設(shè)計(jì)為手動(dòng)恢復(fù)的形式，需要人為的 干預(yù) 檢查，確保能安全充電后方可把保護(hù)開關(guān)合上。而即便當(dāng)鋰電池 組充電器 的溫度自動(dòng)恢復(fù)正常的時(shí)候，保護(hù)開關(guān)也不會(huì)自動(dòng)合上 。 因?yàn)槌霈F(xiàn)這樣的問(wèn)題必然不是小問(wèn)題，考慮到鋰電池的壽命以及對(duì)鋰電池的保護(hù)，必須得那樣做。 過(guò)電壓也是鋰離子電池組在充電中發(fā)生的較為嚴(yán)重的問(wèn)題，會(huì)引起電池組的嚴(yán) 23 重?fù)p害。因此，保護(hù)電路設(shè)計(jì)有電壓比較器，當(dāng)整組輸入電壓大于保護(hù)電壓時(shí)， 保護(hù)電路動(dòng)作，切斷所有充電器的供電，停止對(duì)電池組充電，以使電池組降溫冷卻。由于該 故障對(duì)電池?fù)p害嚴(yán)重，一般由其它故障伴生，因此該保護(hù)功能也被設(shè)計(jì)為手動(dòng)恢復(fù)的形式，即發(fā)生過(guò)壓后，即使電壓恢復(fù)正常，充電器也不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)工作，必須人為檢查，排除故障后重新開機(jī)啟動(dòng)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 鋰離子電池組用充電器 的總體設(shè)計(jì)框圖如下 （圖 31）： 圖 31 充電器總體連接框圖 1） 采樣方式選取 充電器 17為單體充電 模塊 ， 分別為鋰電池組中的鋰電池 17充電 。 由于充電器內(nèi)部導(dǎo)線長(zhǎng)度約為 1米，充電器至電池大約有 10 米的長(zhǎng)度，往返單節(jié)電池回路中的電纜線長(zhǎng)度大約為 22米，電阻大約 歐姆，以 4A 充電電流計(jì) 算，線路中產(chǎn)生的壓降大約有 2V。由此可見在充電器輸出端采樣的話，最大可能會(huì)于電池端產(chǎn)生 2V的誤差，這個(gè)誤差與設(shè)計(jì)要求的 的電壓誤差相距很大，顯然這種采樣方式是無(wú)法使用的。 設(shè)計(jì)中，如果采用普通充電器的間歇采樣的方式，雖然可以提高采樣精度、降低成本，然而 4安培大電流的平凡通斷對(duì)于電池的充電十分不利，既會(huì)造成充電電 24 流不連續(xù)使充電時(shí)間增加，也會(huì)直接影響電池的容量和壽命。 為了避免大電流對(duì)采樣電壓的影響，因此，設(shè)計(jì)中為每節(jié)鋰電池提供了獨(dú)立的采樣線，這樣既保證了持續(xù)的大電流充電，又能夠保證電池的采樣精度。 2） 單體充電器工作電源選取 單體充電器工作電源是把 220V 交流電源轉(zhuǎn)換為給單體充電器使用的直流穩(wěn)定電源。為了提高充電器的效率，設(shè)計(jì)中直接采用了 7組獨(dú)立的成品開關(guān)電源為其供電。 開關(guān)電源的電壓選擇必須綜合考慮兩個(gè)問(wèn)題： （ 1） 補(bǔ)償充電電纜造成的壓降 開關(guān)電源的電壓至少必須大于電池恒壓電壓和電纜壓降之和，還必須加上后級(jí)開關(guān)器件的壓降。一般可估計(jì)為： U 恒壓 +U 導(dǎo)線 +UCE=+2V+= （ 2）單體充電器的設(shè)計(jì) 開關(guān)電源的電壓選取還必須考慮到單體充電器所使用的芯片的耐壓和所承受的功率。 3） 保 護(hù)狀態(tài)參數(shù)的選取 保護(hù)狀態(tài)的參數(shù)主要包含兩個(gè)內(nèi)容： （ 1） 保護(hù)溫度 在充電器中，單體充電器所使用的功率芯片所允許達(dá)到的最大工作溫度為 120攝氏度，綜合機(jī)箱環(huán)境和散熱狀況，經(jīng)過(guò)測(cè)試，選取機(jī)箱空氣溫度 60 攝氏度為過(guò)熱保護(hù)溫度，此時(shí)芯片平均工作溫度約為 80100 攝氏度。 （ 2） 保護(hù)電壓 鋰離子充電器組所使用的鋰電池，其允許的最高充電電壓為 。在整機(jī)的電池組保護(hù)電路中，其保護(hù)動(dòng)作的最高電壓值為 *7節(jié) =，該電壓即為設(shè)計(jì)的保護(hù)電壓值。 單體充電 器設(shè)計(jì) 單體充電器由前級(jí)提供直流電 源并向后級(jí)設(shè)備即電池組提供穩(wěn)定可調(diào)的直流電 25 源，從本質(zhì)上看，就是可控的 DCDC模塊。 實(shí)現(xiàn) DCDC 可控降壓的方式主要有兩種： 1） 線性電源 的方式降壓 如圖 32所示電路，輸入電壓 Uin加在可變電阻 R 與負(fù)載電阻 RL 串聯(lián)電路的兩端，于是，通過(guò)改變 R兩端 的壓降即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。如輸入電壓增加時(shí)，可增大可變電阻 R的阻值，使輸人電壓的增加量全部降在它的兩端，這樣，輸出電壓即可維持不變；輸入電壓減少時(shí)，可 減小 R 的阻值，使它兩端的壓降隨輸入電壓的減少而減少，以維持輸出電壓不變；若輸人電壓不變，而負(fù)載電流變化，這時(shí)也可通 過(guò)改變可變電阻 R的阻值，使它兩 端的壓降不變，即輸出電壓＝輸入電壓 — 可變電阻兩端的壓降。 圖 32 線性電源 線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，也就是說(shuō)他一用起來(lái)功率器件就是一直在工作，所以也就導(dǎo)致他的工作效率低，一般在 50%~60%，還得說(shuō)他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像 KX 電源，再經(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。這樣一來(lái)他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。他也有他的優(yōu)點(diǎn)：紋波小，調(diào)整率好，對(duì)外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。 2）開關(guān)電源降壓 26 開關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止 。 將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓 。 開關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種 ， 隔離型的必定有開關(guān)變壓器 ， 而非隔離的未必一定有。 開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開關(guān)電源的工作原理。如圖 31 所示，電路由開關(guān) K（實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管），續(xù)流二極管 D，儲(chǔ)能電感 L，濾波電容 C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開關(guān) K、電感 L 給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感 L 以及電容 C中。由于電感 L 的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開關(guān)斷開，由于電感 L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管 D 的正極，經(jīng)過(guò)二極管 D，返回電感 L 的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM—— 脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。 在實(shí)際的開關(guān)電源中，開關(guān) K 由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管代替。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流很?。划?dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電壓很小，所以發(fā)熱功率 UI 就會(huì)很小。這就是開關(guān)電源效率高的原因。 27 圖 31開關(guān)電源 開關(guān)電源的工作原理是： 1） 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流； 2） 通過(guò)高頻 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )信號(hào)控制開關(guān)管 ,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級(jí)上； 3） 開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓 ,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載； 4） 輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路 ,控制 PWM 占空比 ,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。 開關(guān)電源的工作方式：它的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，（一開一關(guān)，一 開一關(guān)，頻率非?？?，一般的平板開關(guān)電源頻率在 100~200KHz，模塊電源在 300~500KHz）．這樣他的損耗就小，效率也就高，對(duì)變壓器也有了要求，要用高磁導(dǎo)率的材料來(lái)做。有點(diǎn)墨跡了，他的變壓器就是一個(gè)字小。效率為 80％～ 90％。 開關(guān)電源的主要有點(diǎn)有：功耗小，效率高；體積小，重量輕；穩(wěn)壓范圍寬；濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。缺點(diǎn)主要是紋波大。 綜合對(duì) 充電 器 的效率 和功耗 要求來(lái)看，本鋰離子充電器的電源采用 可控 開關(guān)電源 降壓的方案 。 鋰離子電池組充電器的單體（對(duì)一個(gè)鋰電池充電）是由保護(hù)開關(guān) 、開關(guān)電源模塊、采樣模塊、放大器、保護(hù)電路、恒壓恒流切換電路、電流控制電路等組成（如圖 33）。 28 圖 33 單體充電框圖 鋰電池充電器采用的是獨(dú)立導(dǎo)線采樣，雖然增加了其制作成本，但可以很精確，并且連續(xù)的給電池充電。充電器采用 4 個(gè)導(dǎo)線，兩根是充電線，兩根式采樣線。 4個(gè)導(dǎo)線都是從開關(guān)電源模塊接到鋰電池的兩端。 采樣線連接到保護(hù)電路模塊和恒壓恒流切換電路模塊。保護(hù)電路模塊的作用是用來(lái)保護(hù)鋰離子電池的，上面接著兩個(gè)劃線變阻器，是用來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)高電壓和一個(gè)低電壓，當(dāng)采樣線采樣測(cè)得的鋰電池兩端電壓高于這個(gè)高電壓或者 低于這個(gè)低電壓時(shí)，保護(hù)開關(guān)將動(dòng)作，自動(dòng)切斷電源。 恒壓恒流切換電路模塊是用來(lái)切換充電過(guò)程中的充電模式是采用恒壓或者恒流。充電器通過(guò)電流控制電路模塊設(shè)定一個(gè)恒流值，將