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1、锂离子电池充放电平衡系统的设计与实现专业：电子信息工程学 号:201203044052姓名:夏雨雷指导老师:邓华军随着集成电路的迅速发展，各种电子产品都在朝着便携和小型轻量化的方向发 展。供电系统也发生了巨大的变化，由原来笨重的其他材料型电池改为锂离子电池 供电。锂离子电池体积小、质量轻、污染小、利用效益高。对充放电控制系统有严格 的要求，故拥有一款性能良好的充放电平衡系统非常重要，本设计以STC12C5A60S2 为主控核心，利用 PI 算法控制充电过程中电流动态平衡,系统由显示电路、保护电 路、电压采样电路组成.实现对锂离子充放电控制基本功能，提出设计思想和系统 结构。系统可靠性好,实用性
2、强，可作为于各种小型电子设备的充放电装置。 关键词：锂电池 STC12C5A60S2 PI 算法 采样电路 电流动态平衡Design and implementation of the charging and discharging balancesystem for lithium ion batteryWith the rapid development of integrated circuits ， all kinds of electronic products are moving in the direction of portable and small lightweigh
3、t 。 Great changes have also occurred in the power supply system ， which changed from the original bulky other materials to the lithium-ion battery power supply。Lithium ion battery has the advantages of small size, light weight ， low pollution and high efficiency。 It has strict demand on charging and
4、 discharging control system, so it has a good performance of charge and discharge balance system is very important 。 This design is based on STC12C5A60S2 as the control core， PI algorithm is adopted to control the charging process in the current dynamic balance ， the system consists of a display cir
5、cuit, a protection circuit， a voltage sampling circuit。 To achieve the basic functions of lithium ion charge and discharge control, puts forward the design idea and system structure。 The system has good reliability, strong practicability, charging and discharging device can be used as small electron
6、ic devices in various.Key words: Lithium-ion battery STC12C5A60S2 The indicator light circuit The liquid crystal display circuit Protection circuit目录1绪论 11。1课题研究的背景 11.2课题研究的意义 11。3课题的国内外研究现状 11.3.1 国内研究现状 11.3.2 国外研究现状 21.4课题研究的主要内容 22整体设计方案 32。1 BUCK降压电路选择32。2电流控制选择32。3总设计系统框架图43硬件电路设计 53。1系统供电电路5
7、3。2 BUCK电路设计53.3输出电压和动态电流平衡设计 63.3。1 输出电压电路设计 63。3.2 动态电流电路平衡设计 63。4控制电路和显示电路设计73.4.1 控制电路设计 73.4.2 显示电路设计 83.5充电方式选择电路设计93.6系统保护电路设计103。6。1充电过温保护设计103.6。2 充电过压保护电路设计 113。6.3 放电保护设计124软件程序设计与实现134。1软件设计流程134。2 PI控制原理和PI函数144。2.1 PI 控制原理 144.2.2 PI 控制函数 155系统测试175。1主要测试仪器仪表175.2测试方法175.3测试结果分析186结论19
8、参考文献20致 谢21附录 221 绪论1。1课题研究的背景锂离子电池是二次能源，具有质量轻、体积小、无污染、放电能力强等优点,是 20 世纪动力能源的首选，广泛应用在各个领域，如航天供电系统、医疗供电系统、民用电 子产品中,最典型的是手机供电系统。目前中国鼓励大众创业，万众创新，在珠三角以及 沿海一带,崛起许多以锂离子二次能源为创新发展的厂商，力图进军锂离子的研发，打造 具有中国自主品牌的高性能锂离子电池.锂离子电池的性能与充放电装置有关，其性能取决于充放电装置系统，鉴于此，本 文围绕锂离子电池组充放电特性.设计一款功能完善的充放电装置系统。1。2 课题研究的意义日异月新的科技变化,许多电子
9、产品都朝着集成化方向发展。供电方式也随之改变， 转为体积小、质量轻、放电能力强的锂电池供电。锂离子电池组对充放电装置要求苛刻， 充放电装置必须有较高自动控制精度。另外,锂离子电池由于过放，电压较低，充电时需 进行预充，电压升高后，才能采用恒压恒流充电，充电完成后,为防止过充，系统必须自 动判断，并断开充电电路保护电池。锂离子电池组充放电平衡系统装置是电池能量的补充装置，关系到锂离子电池组的 使用寿命和指标,设计一款性能优良的充放电装置意义深远，故实现安全高效充放电控制 已成为锂离子电池组推广应用的关键技术。1.3 课题的国内外研究现状1。3。1 国内研究现状自锂离子电池问世以来，锂离子电池能量
10、补充装置应运而生，国内锂离子电池充放 电装置种类繁多，然而国家监督产品质量抽查结果中，40厂家生产的锂离子电池能量 补充装置不合格.有的就是一个简易变压器，缺少保护电路等，使用中易损坏电池.随着小型化电子设备的发展，许多厂家提出以涓流和恒流为主方式充电,进行技术改 良，不但提高充电效益，且在保护机制上实现过充保护、过流保护、过温保护等功能。 2008 年，联想公司研发的锂离子电池管理芯片，进一步推动锂离子充电器的技术革新， 该电池管理芯片功能齐全，适合市场上大部分锂离子电池，被许多生产充电器的厂家使 用,如宏碁笔记本使用的充电器就使用该芯片作为核心控制。2010 年，芝嘉电源公司研发的锂离子电
11、池充电平衡装置，突破锂电池充电过程中的 短板，结合涓流充电和恒流充电,根据不同锂电池自动调整充电电流和充电电压 1。但 使用开关元器件,电路工作中温度过高，降低了充电效益，2012 年，航嘉电源公司利用 二次回流充电方式，设计出一款充电效益高的锂离子电池充电器，充电效益为 60%。 1。3。2 国外研究现状1990年日加公司为索尼公司研发的 F707 型数码相机锂离子充电装置，采用并联恒 流快充方式,由于采用并联方式充电，内阻比采用串联充电小，能快速进行能量补充 ,但 锂离子电池由于个体存在差异，采取并联充电方式，会降低电池使用寿命。1995 年松下、 三洋、汤浅、美国等电源研发公司先后研发了
12、不同类型的锂离子电池充放电装置，均取 得了一定效果。法国 SAFT 公司是著名的锂离子电池生产厂商之一，麦克斯先生是该公司的领军人 物，他提出了锂离子电池充电重点在于电流动态平衡，强调不同电池组之间千差万别， 充电方式也截然不同，简单的充电方式无法满足锂离子电池，在他的带领下，SAFT公 司研发了一款快速的充电平衡装置，采用智能脉冲法循环充电， 2014 年日本索尼公司电 源研发人员松田山野,利用麦克斯这一原理，研发了针对串联法充电的锂离子动态平衡充 电装置，并且在充电通路中,串联一个电感量高的电感,串联电感后使电流具有暂态效应， 利用电流互补达到动态平衡,防止因大电流损坏电池。总之，国内外研
13、发和生产锂离子电池充放电装置都有各自的优缺点，本设计在汲取 国内外经验的同时,重点对锂离子电池动态电流平衡充电法进行研究,设计一款性能稳定 功能齐全的锂离子电池充放电装置系统。1。4 课题研究的主要内容综合考虑锂离子电池安全充电及成本， 以 STC12C5A60S2 为控制核心，LM2576ADJ构成BUCK降压变换电路，使用INA168时时检测充电电流，利用精准的 PI算法程序动态控制充电电流，有效克服锂离子电池充过充、过流、充电效率低等缺点, 且系统具有过温、过放等功能，当锂离子电池温度为45C时，发出报警声停止充电，电 池组放电到设定极限值时，系统自动保护电池，停止对负载供电,系统能对不
14、同锂离子电 池组组充电，用户只需选择对应的充电按钮，就能对不同的电池组充电.2整体设计方案2.1 BUCK降压电路选择方案一：以 LM2576-ADJ 集成电源芯片组成 BUCK 型电路恒流控制系统。结构简 单，且输出电压稳定可调。方案二：由普通的场效应管组成降压电路,调节占空比宽度，调节电流大小。方案比较：方案一LM2576ADJ集成电源芯片，直接构成BUCK电路，电路设计 简单，电流容易控制和工作稳定，短时间内容易完成 .方案二由场效应管构成的 BUCK 电路,还需加外部驱动电路 ,占空比要求严格，难度较大，短时间内不易完成。综合比 较，选择方案一。2。2电流控制选择方案一：采用STC12
15、C5A60S2自带的两路AD转换器采集采样电阻两端电压值，与 设定好的电压值比较，判断比较结果,编程控制单片机对输出电流补偿,最终恒流输出。方案二：运用INA168检测采样电阻电流大小，由STC12C5A60S2完成转换AD转 换。方案比较:方案一，采样电阻两端电压太小，AD采样检测电流不准确，普通的补偿 控制达不到系统设计要求。方案二使用 INA168 检测电流，利用 PI 算法使充电过程中 电流动态平衡，整个系统的可靠性得到提高，优于其他方法，故选择方案二。2。3总设计系统框架图0至32V的直流电源输入后，一部分降压为5V,为控制系统供电，另一部分由LM2576-ADJ 构成 BUCK 降压电路，当锂离子电池充电温度超过设定值时，开启保护电路，单片机通过PI算法时时检测充电电流,总设计系统框架如图2-1所示：图 21 总设计系统框架3硬件电路设计3.1系统供电电路STC12C5A60S2和液晶屏供电电压为5V,采用传统三端稳压方式，选择LM7805进行稳压输出，对范围为536V的电压进行稳压，输出电压为5V,电容C4容量为0。1uf,耐压值为10V,能滤除纹波干扰.如图3-1所示:INLVVINOUTGNL78053 -5V#C4WV/O.luF
