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。锂离子电池在充电时发生如下主要化学反应：
    正极：

    负极：

    以上反应均为可逆反应，电池在放电时发生逆反应。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、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。同时5 V电源工作，Mcu产生PwM信号，使能Q1驱动电路，输入电源通过Buck电路给电池充电。当AC适配器与电源断开时，5 V电源被切断，此时Q1关断、Q2导通，电池通过Q2给负载供电，实现低压降放电。

    2．1．2 电路参数的设计原则和选取

    当充电电流下降至c／lO时，即认为电池充电满。为了保证在整个充电过程中电池充电电流连续，那么，要求电感u的临界连续电流不高于c／10，即0．2 A。另外，电池充电时，电池电压波动范围必须限制为一0．05 V～+0．05 V，即要求电容c1的峰峰值纹波电压低于O．1 V。由此可计算出所需的L1和cl值。

    为了保证采样精度和减小电路损耗，选择R1=R2=150 kΩ。由于R3串于充电回路中，所以R3必须尽量小，否则，会使充电回路压降变大，损耗增大，充电效率降低，且管理器发热量大。这里选择R3=0．02 Ω。

    由于R3很小，所以通过R3采样得到的电流信号也很小，为了减小采样数据的相对误差，必然要对电流采样信号进行放大。本文采用了一个比例放大电路对电流信号进行放大，其放大倍数根据运算放大器的最大正向输出电压和电池的充电电流大小来选择。放大倍数太大，会使运算放大器工作在非线性区，导致采样错误，放大倍数太小，会增大采样数据的相对误差。

    2．2软件设计

    2．2．1电压、电流控制算法

    为了实现恒流转恒压的充电模式，本文采用电压、电流双闭环控制，其控制框图如图3所示。

    首先，电压给定值与电压采样值相减，将得到的误差量进行PI运算，电压经过PI处理后再经过限幅处理得到电流基准值，输出至电流数字Pl调节器。然后，电流基准值与电流采样值相减，将得到的误差量进行PI运算，电流经过PI处理后再经过限幅得到所需的占空比。MCu就是通过调节PwM信号的占空比，来实现恒流转恒压的充电模式。

    2．2．2充电过程控制

    电池的充电过程大致分为预充电、快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段。

    开始充电时，如果电池的电压不在快充允许的范围内，在电池充电初期补插一个预充阶段。预充阶段电池以C／10恒定电流充电，直到电池的电压上升到没定的阈值后进入快充阶段。 当电池电压符合快充条件时，充电过程进入快速充电阶段。快速充电阶段采用恒流充电方式，以1 C恒定电流充电，直至单节电池电压上升到4．1V(或4．2 V)。此时，电池应转入补足充电阶段。

    补足充电阶段采用恒压充电方式。在这一阶段中，电池电压不变，电流逐渐减小，当电流小于C／10时，电池充电满，进入涓流充电阶段。

    充电控制和状态切换在主程序中实现，充电计时和状态显示在定时器中断程序中实现。图4为主程序流程框图。

    2．3电池保护

    串联的各单体电池的容量有一定的差别，在充电过程中，若一个电池已经充足电，另一个电池尚未充足，如果继续对串联电池组充电，已充足的那只电池就会过充电。在放电过程中，若一个电池已放完电，另一个电池尚有一定剩余电量，如果继续放电，先放完电的那只电池将发生过放电。可见，串联电池组容易出现单体电池过充和过放现象。

    采用单片机可以实现对单体电池的电压和放电电流的监控，防止单体电池过充和过放，但是这要求单片机始终处于工作状态，静态功耗大，在电池放置不使用时，电池还需向单片机供能，这对电池组的输出容量影响较大。本文采用锂离子电池专用保护芯片S一8232，该电路可以实现过充、过放、过电流保护，而且工作电流小，具有多种参数型号，可以满足电池组不同保护参数需求。

    3实验结果

    根据以上的设计方案，设计了一个锂离子电池管理器。实验结果表明，该管理器可以有效防止单体电池过充电和过放电。图5是根据电池充电过程得出的电池电压、电流变化曲线。电池从放完电后开始充电到充满电大约需要4．5 h。预充时，管理器以C／10的恒定电流给电池充电，电池电压逐渐升至6 V。然后充电电流迅速升至2 A并稳定在2 A左右，此时，电池电压不断上升，当电池电压升至8．35 V时，充电电流开始减小，但电池电压始终稳定在8．34 V～8．37 V之问。当充电流降至0．2 A左右时，指示灯显示充电满，管理器对电池进行涓充，一段时间后，充电结束，此时，电池电压略微有点下掉。

    4结束语

    本文在介绍锂离子电池充放电特性的基础上，设计了一种Buck型电池管理器。该管理器采用单片机对电池的充电电压和电流进行控制，此外，还采用了专用芯片对单体电池电压和放电电流进行监控，防止了单体电池过充和过放并限制了电池放电速率，保证了锂离子电池充放电过程的安全高效，有利于延长锂离子电池的使用寿命。