锂离子电池的开关电源式智能管理系统设计分解

0引言锂电池具有体积小、比能量大、寿命长、放电性能好等特点。短短几年时间里，已广泛使用于笔记本电脑、手机、便携式DVD及VCD等设备上，并且随着加工技术的发展，还有进一步优化的趋势。锂电池具有这么多的优势，同时它的制造成本却相对低廉，因此是将来最有前途的便携性电池。关于便携性电池，人们希望在获得大容量电能的同时，能够尽量减轻系统的重量，新增电池的效率和寿命。另外由于便携式设备的散热条件一般比较差，所以对整个电源系统的效率也提出了较高的要求。开关电源最大的特点是效率高。利用开关电源，可以很有效的减少大容量电池充电系统的功率损耗，从而大大降低整个系统的发热量。本文具体分解设计了一种基于开关模式电源的锂离子／锂聚合物智能管理系统。

1智能管理系统的结构本文中，我们使用目前使用最为广泛的恒流恒压充电方式，通过使用开关模式的电源来供应电池充电所要的电压和电流，并且使用单片机和一系列周边电路来实现充放电的控制和对电池的保护功能。利用单片机和开关电源相结合，我们就可以构造出一个智能化的锂离子／锂聚合物电池智能管理系统：开关电源主功率回路负责将电能转化成电池充电所要的形式，同时应尽量提高效率，减小电压电流纹波；单片机负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的封闭，依据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。整个智能管理系统分为两大部分：充电机和电池包。充电机紧要包括了主功率回路和一部分的电源控制电路；而电池包部分则包括电池、测试电路和单片机控制电路。这两部分通过接口互相连接，能量从充电机传往电池包，而控制信号一部分控制电池包的充放电回路的开通与关断，另一部分则从电池包发送到充电机，控制充电机的启动封闭和输出恒压恒流值。图1为整个系统的框图。

图1充电机部分中，功率回路即为开关电源，它负责给电池进行充电，电源控制芯片接受从单片机传来的恒压恒流参考等控制信号，结合功率回路输出的电压电流反馈，实现电路在不同要求下的正确输出。电池包部分中，单片机通过电压测试、电流测试和温度测试等电路，实时地知道电池所处的状态，确定电池是不是要充电，充电方式为恒流还是恒压，何时应当结束充电过程，电池是不是有过温现象的发生等等。另外，单片机还非得测试异常情况下，电池的过压、过流以及温度过高等现象，及时采取保护措施，同时发出报警信号及显示报警原由。外部控制可以预置恒压恒流参考值，也可以对充放电过程进行人工干预。

2电路设计电路的设计包括充电机和电池包两大部分。1)充电机的设计本文设计一个工频输入，能够实现恒流恒压输出的AC／DC开关电源。充电机的详尽指标要求如下：输入电压：130～265Vac；输出电压Uo变化范围：0～30Vdc；输出恒流Io变化范围：0～10A；输出电压纹波△Uppm：100mV。依据上述的充电机指标，开关电源的最大输出功率达到了pOMAX=UOMAX・IOMAX=30V×10A=300W，假设电路效率η=80％，最大输入功率为由于功率较大，我们采用pFC+DC／DC的两级模式，以增大电源功率因数，减小对电网的不良影响。

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