浅析锂离子电池充放电管理电路的设计

浅析锂离子电池充放电管理电路的设计

肖尤彬

广东省电信规划设计院有限公司第四分公司广东湛江524002

摘要：随着4G移动互联网和智能终端的日益普及，便携式电子产品的越来越多，促进了电池技术的更新换代。其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特性,脱颖而出,迅速成为市场的主流。但其对保护电路要求比较高,因此,在设计充电和放电电路时,应该充分考虑到可能出现的各种情况,并加以保护,以确保电池安全工作。本文阐述使用P87LPC767单片机做控制,MAX1758做充电管理,设计了一种在线式的锂离子电池充放电管理电路,并给出了充电参数的设置方法和充放电控制的状态流程。为应用锂离子电池和外电源供电的双电源系统或仪器的设计提供了一种参考。

0前言

锂电池对保护电路的要求比较高,在使用过程中应严格避免出现过充电、过放电现象,一般而言,放电速率不应大于0.2C。在一个充电周期内,锂离子电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度,判断是否可充。如果电池电压或温度超出制造商允许的范围,则禁止充电。允许充电的电压范围是:每节电池2.5V～4.2V；温度范围是:2.5℃～50℃。在电池处于深放电的情况下,必须要求充电器具有预充过程,使电池满足快速充电的条件；然后,根据电池厂商推荐的快速充电速度,一般为1C，充电器对电池进行恒流充电,电池电压缓慢上升；一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V),恒流充电终止,充电电流快速衰减,充电进入满充过程；在满充过程中,充电电流逐渐衰减,直到充电速率降低到C/10以下或满充时间超时时,转入顶端截止充电；顶端截止充电时,充电器以极小的充电电流为电池补充能量。顶端截止充电一段时间后,关闭充电。

通常情况下，锂离子电池的安全电压下限为2.4V,其所要求的误差精准度并不如充电电压精确,但亦必须配合适当的过放电延迟时间,以同时兼顾最大使用电量与过放电保护的要求。当电池进行放电动作、电池电压低于过放电保护电压时,应当关闭电池放电,避免电池过放电现象发生。当放电电流过大,保护电路应该关闭电池放电,执行过放电电流保护功能。至于保护电流的大小,可以根据负载的大小加以设定。值得注意的是:保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作,保护电路必须提供不同的过放电电流保护延迟时间,提高工作的稳定性。

1在线充放电管理的电路结构

在实际设计中,需要将锂离子电池应用在长期无人看守的仪器中,要求充放电管理电路可自动监测锂离子电池、外部供电以及负载的状态,并做出相应的动作,以确保负载长期稳定地工作,锂电池安全有效地工作。选择MAXIM公司生产的锂离子充电管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生产的低功耗单片机P87LPC767来实现对锂离子电池的充电和放电管理,以及对电池工作状态的实时监测,完成外部供电电压和内部电池电压的实时切换。充放电管理电路的结构如图1所示。

2充电管理电路原理

图1所示电路的上半部分是用MAX1758构成的1～4节锂离子电池充电管理电路。MAX1758芯片内部电路包括:输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。

输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流,包括系统负载电流和充电电流。当检测到输入电流大于设定的限流门限时,通过降低充电电流可达到限制输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大,如果充电器没有输入电流检测功能,则输入电源(墙上适配器或其它直流电源)必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和。这将使电源的成本增高、体积增大。而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。图1中利用MAX1758的CSSP引脚与CSSN引脚之间的外接电阻R1来检测输入电流,ISETIN引脚设置检测门限。需要注意的是:电阻R1上的压差使充电器的功耗增大、效率降低。为减小压差,一般应选择较小的电阻值；但过小的阻值会使内部输入检流放大器的失调电压增大,从而降低电流检测精度。因此,应综合考虑,选择适当的R1值。

电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定,电池充电终止电压限定为4.2V,通过VADJ引脚的外接分压电阻在4.0V～4.4V之间调节。电池节数由CELL引脚设置,CELL引脚接GND、浮空、接REF、接VL分别表示电池节数为1节、2节、3节、4节。MAX1758的电压检测精度为±0.8%。电压检测和电流检测结果送入内部主控制器,主控制器通过驱动内部MOSFET导通或断开以达到控制电流或限制电池电压的目的。

定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护。由于充电效率达不到100%,充电时间限定值应留有余量。温度传感器应接在THM和GND之前,靠近电池安装。温度传感器可选择具有负温度系数的热敏电阻,+25℃时阻值为10kΩ。Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品。MAX1758以1.2Hz的频率检测电池温度。

3充电参数设置

3.5充电时间设置

MAX1758内含4个定时时间设置功能,即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在TIMER1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间限制,在TIMER2上外接电容可设置快充时间限制。充电速率为1C时,典型充电时间设置为(TIMER1与TIMER2的外接电容均为1nF):预充时间为7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。

4过充、过放保护

单片机P87LPC767的主要功能是实时监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度,并根据监视参数的状态实现对电池过充、过放、过温、负载过流的保护,以及与主CPU进行参数交换。

P87LPC767有四个A/D转换接口,分别用于监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度。工作时P87LPC767每20毫秒就对外供电电压进行一次A/D转换,读取外供电电压值。一旦外供电电压低于设定值时,P87LPC767就打开功率MOSFETQ1,将负载供电切换到电池上。P87LPC767每秒钟检测一次电池电压、负载电压和电池温度,判断电池是否需要充电。若电池电压低于设定的值,而外供电电压和温度都满足充电的条件,则打开MAX1758,对电池充电,补充电池能量。当电池给负载供电,电池电压低于安全放电的电压值(每节电池电压低于2.4V)时,P87LPC767立刻将Q1关断,防止电池过放,并将负载、MAX1758等外围电路关闭,转入低功耗工作模式,以节省耗电,等待外供电电压恢复正常时,再重新启动。如果检测到负载电压过低,会认为是过流引起的,也将立即关闭负载,转入低功耗工作模式,等待外部唤醒。这样,P87LPC767可以实现电池以及负载电路的保护,使得仪器在外部供电电源不太稳定的环境下可以长期稳定地工作。

参考文献

[1]吴学军，胡晗，李文联.一种基于低功耗单片机的移动电源设计[J].电源技术，2014，9（03）：495-497.

[2]刘伟达.便携式设备锂电池充电技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.

[3]丁成功，王升鸿.便携式移动电源的研究与设计[J].伺服控制，2013，（04）：67-69.

[4]孙朝.锂电池组均衡充电与管理系统设计[D].重庆：重庆大学，2013.

[5]曹金亮，陈修强，张春光，等.锂电池最新研究进展[J].电源技术，2013，37（08）：1460-1463.