最新智能型锂电池保护板电路的设计与实现.docx
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最新智能型锂电池保护板电路的设计与实现
智能型锂电池保护板电路的设计与实现
摘要
锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点,所以在各行各业被广泛使用,逐渐成为了电池的主流产品。
然而因锂电池的能量密度高,也使得难以确保其安全性,所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。
本文介绍了通过锂离子电池的充放电特点设计一种支持多种规格锂电池及电池组的保护电路的详细过程。
本文以锂电池的充放电特点作为研究主体,详细阐述了作者在学士学位论文工作期间对锂电池充放电过程中对其保护的研究与设计。
介绍了锂电池的特点以及其保护电路的发展现状及趋势,其次说明了锂电池的充放电的概念、原理、制定目标设计参数以及保护电路的设计过程、实现方法。
设计过程中,首先提出三种可行性方案,并通过理论分析进行方案筛选,确定由精工电子的电源管理芯片S-8209为核心构成的设计方案。
然后通过对S-8209进行Pspice建模并仿真,验证其功能并为设计方案提供理论基础。
然后绘制电路图,并施以改进优化设计方案。
最后进行锂电池保护电路的调试,并对毕业设计期间的工作作出总结。
关键词:
锂电池保护电路电池组Pspice建模S-8209
TheDesignandImplementationOfIntelligentLithium-ionBatteryProtectionCircuit
Abstract
Lithium-ionbatteryiswidelyusedinalmostallwalksoflife,becauseofitslargecapacity,longusefullife,environmentfriendlyandlargevolumeratioofenergy.Itisbecomingthemainstreamproductsofbattery.Butitshighvolumeratioofenergyisalsotheunstablecautionofsecurity.Soitisnecessarytomatchthebatteryprotectioncircuitrytoensurethesafetyofthebatteryandtheequipmentofusingthebattery.
Thisarticledescribestheadoptionoflithium-ionbatterychargeanddischargecharacteristicsofavarietyofspecificationstodesignalithiumbatterygroupandbatteryprotectioncircuit.
Inthispaper,thechargeanddischargecharacteristicsoflithiumbatteryasaresearchsubjectduringtheprocess.Thisarticleintroducesthecharacteristicsoflithiumbatteryanditsprotectioncircuitdevelopmentandtrend,followedbyshowstheprinciplesoflithiumbatterychargeanddischarge.Andthenmakethedesignsettings.Duringthedesignprocess,firstlyproposedvariousofdesignoptions.Throughtheoreticalanalysistodeterminetheprogram,selectedSeikoelectronicpowermanagementICS-8209toachievethedesign.ThencarriedoutontheS-8209Pspicemodelandsimulationtoverifyitsfunctionalityandprovideatheoreticalbasisforthedesign.Thendrawthecircuitdiagram,andhelpingtoimproveoptimizationdesign.Finally,debugthelithiumbatteryprotectioncircuitandsummarymyworkduringthegraduationproject.
Keywords:
Lithium-ionbatteryBatteryprotectioncircuitPspice-modeling
Lithium-ionbatterygroupS-8209
1绪论
1.1课题研究背景
锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点,所以在各行各业被广泛使用,逐渐成为了电池的主流产品。
然而锂电池的能量密度高,也使得电池的安全性难以得到确保。
锂电池的过度充电(以下简称“过充”)、过度放电(以下简称“过放”)和电池组间的电量不平衡都会导致电池的内部耗损加速,使用寿命减短。
锂电池过充甚至可能造成锂电池爆炸造成人员伤亡和财产损失的事故。
所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。
图1.1六串锂电池组示意图
现在市场上虽然锂电池保护电路很多,但大多都是只能应用于小型锂电池的保护,功能单一且只适用于个别型号的电池,比如手机、相机用的单节锂电池。
在某些需要保护功能全面或是需要同时多节电池充放电的情况下,比如多芯锂电池、动力型锂电池,那些功能单一的保护电路就无法使用了。
对于输出电流、电压值都比较大的动力锂电池磷酸铁锂电池,市场上已有的保护电路并不多。
而关于锂电池组的保护电路则更少了,且这些锂电池组保护电路支持的电池串数较少(一般不多于6串),这就使得其对大型锂电池组的保护力不从心了。
基于此种情况,就需要一种功能全面且基本适用于各种型号及类型的锂电池甚至是锂电池组的保护电路系统。
这种保护电路需要具备过充保护、过放保护、电量平衡保护、过流保护等功能、支持6串以上的电池组使用且可以扩展,根据其扩展性可让电路适用于更多的使用环境。
并且基于这种扩展性可以使此电路作为锂电池保护电路的开发模板,以其为蓝本通过更改参数及更换不同功率的器件设计出同类型的衍生电路。
1.2课题的研究方向和发展前景
1.2.1锂电池保护电路的现状
目前市场上已有的各种锂电池保护电路的类型有两种,一种是使用分立元件,另一种是使用专业的电池管理检测芯片。
使用分立元件制作而成的保护电路成本低廉,但是检测精度普遍不高,约在200毫伏左右;分立元件的集成度较低,造成整体电路体积过大;而且分立元件制成的锂电池保护电路考虑到稳定性的问题,一般不带有电量平衡保护部分,这些都使得分立元件的保护电路适用范围减小。
其诸多的缺点使得其、它只能适用于低端产品市场,而对于相对高端的电子产品则很少使用这种类型的保护电路。
图1.2TSSOP封装图
使用专业电池管理IC的话虽然成本偏高一些,但是可以保证较高的精度,精度高的可以达到50mv以下;且集成度高,使用TSSOP或更高等级封装芯片构成的单节保护电路可做到指甲盖大小,其封装大小见图1.2;现在电池充放电管理的芯片在市场占有上基本是精工电子一家独大,占绝大部分市场,其产品功能全面,S-8209、S-8254、S-8211等都具有过放保护、过充保护、电量平衡保护的功能。
1.2.2锂电池保护电路的发展前景
锂电池保护电路未来的发展将以提高侦测电压的精度、降低保护IC的功耗及包装成本、整合MOS、改进误动作防止功能等,同时充电器连接端子的高耐压化也是开发的重点。
对于锂电池保护芯片的封装,目前已由SOT23渐渐的朝向SON,将来还有CSP的封装,甚至COB封装产品的出现,用以满足现在所强调的轻薄短小的需求。
当然,功能组件单晶化是一致的目标,如目前行动电话制造商都朝向将保护IC、充电电路、电源管理IC等外围电路集成单芯片,与逻辑IC构成双芯片的芯片组。
但目前要使PowerMOS管的开路阻抗降低使其与其它IC合组,即使以特殊技术制成单芯片成本也将会过高。
因此,锂电池保护芯片的单晶化将需一段时间来解决。
锂电池保护电路的整体体积也会随着保护芯片封装的改进而越来越精巧,适用于更多的精密仪器。
1.3选题的目的和意义
锂电池保护电路是应用锂电池所必须的电路部分,缺少了保护电路的使用,锂电池将缩短使用寿命、造成安全隐患、损毁用电设备,所以设计并制作一个高效稳定的锂电池保护电路是有着实际意义的。
由于目前市场上还没有推出功能齐全、功能可扩展且支持电池组串数超过6串的锂电池保护电路,所以设计并制作出这样一个锂电池保护电路具有一定的创新性。
而且由于功能齐全,所以可以根据实际需要通过更改电路参数或器件类型来开发出新的型号。
又因为它的可扩展性,可以根据电池组的串数组合出符合要求的保护电路。
正是因为设计并制作出这样一种锂电池保护电路具有研究和实际应用的价值,所以我选择这个题目作为我的毕业设计。
通过制锂电池保护电路可以加深对电源技术、电力电子技术等知识理解和掌握。
在制作过程中,培养个人独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备。
1.4设计要求
类型
功能
项目
参数
精度
保
护
功
能
过充保护
过充保护电压(V)
4.25
±50(mV)
过充保护延时(mS)
<1000
±50(mS)
过充保护解除电压(V)
4.10
±100(mV)
过放保护
过放保护电压(V)
2.5
±100(mV)
过放保护延时(mS)
<100
±50(mS)
过放保护解除电压(V)
2.6
±100(mV)
过流保护
过流保护值(A)
1
±50(mA)
过流保护延迟(mS)
<500
±100(mS)
过流保护恢复条件
断开负载
短路保护
短路保护值(A)
2
±1(A)
短路保护延迟(uS)
<200
±100(uS)
短路保护恢复条件
断开负载
均衡保护
均衡电流(mA)
500
±60(mA)
均衡开启电压(V)
4.20
±50(mV)
均衡精度(mV)
50
±50(mV)
表1.1各种保护功能的设计参数要求
如表1.1所示,列出了过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量均衡保护的具体执行阀值和精度的要求。
其中过充保护、过放保护、电量均衡保护的精度是根据所选芯片决定的。
表1.2锂电池及充电器性能参数
BL-5C型锂电池
充电电压(V)
充电电流(mA)
电池容量(mAh)
4.2
≤1000
970
万能型充电器
输出电压(V)
输出电流(mA)
充电时间(h)
4.2
≤300
3.5
图1.3(a)BL-5C锂电池的充电特性曲线
图1.3(b)BL-5C锂电池的放电特性曲线
测试时电池使用NokiaBL-5C型手机锂电池,充电器选用与其匹配的万能型充电器,其具体参数见表1.2,BL-5C的充放电特性见图1.3(a)及1.3(b),此图源于三洋能源有限公司测试组。
根据设计要求,组成电路所选择的元件的耐压值要大于5v,耐流值要达到1A,这些要求是根据测试时选用的电池及充电器确定的。
如果要使用磷酸铁锂电池及相应充电器,那么元件的耐流值要更大达到20A甚至更高,则相应地,电路的制作成本将大大超出毕业设计所提供的经费,无法选用动力电池对本毕业设计所制作的保护电路进行测试。
故选用上述锂电池及充电器。
1.5主要工作及流程
一、查找相关资料,了解课题内容,开拓思路。
二、提出具有可行性的实现方案,通过分析对比选出最优方案。
三、根据所选方案设计电路,并绘制原理图。
四、使用仿真软件Pspice对所选方案进行理论分析及验证,并找出不足之处从而作出合理优化。
五、制作验证电路,对电路功能做初步的实际验证,并且找出实际应用中的问题并解决。
六、通过实际验证的结果,在电路原理图的基础上绘制电路图,选购元器件并焊接电路。
七、对制作完成的保护电路进行整体调试,使之达到设计要求。
八、对本次的锂电池保护电路进行理论与实际的对比分析,并作出总结。
2技术背景及方案选择
2.1锂电池的介绍
2.1.1锂电池简介
锂电池(锂原电池)和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。
锂原电池的负极是金属锂,正极用MnO2,SOCl2,(CFx)n等。
70年代进入实用化。
现在,锂离子电池应用范围更加广泛,如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等。
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
最早出现的锂电池使用以下反应:
Li+MnO2=LiMnO2,该反应为氧化还原反应,放电。
由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高,所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。
锂原电池之后发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。
当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。
同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。
回正极的锂离子越多,放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
锂离子电池就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑,所以锂离子电池又叫摇椅式电池。
现在锂离子电池的大量使用,已经逐渐代替了不安全的锂电池,所以已经习惯用锂电池来称呼锂离子电池。
2.1.2锂电池的特点
锂电池的优点:
1、比能量高。
具有高储存能量密度,目前已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6~7倍;
2、使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池用1ADOD充放,有可以使用10,000次的记录;
3、额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组;
4、具备高功率承受力,其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30A充放电的能力,便于高强度的启动加速;
5、自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20;
6、重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6;
7、高低温适应型强,可以在-20℃~60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用;
8、绿色环保,不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质;
9、生产基本不消耗水,对缺水的我国来说,十分有利。
锂电池的缺点:
1、锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险;
2、钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电,安全性较差;
3、锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电;
4、生产要求条件高,成本高。
表2.1锂电池与其它电池性能的比较
性能
锂电池
镍氢电池
镍镉电池
铅酸蓄电池
工作电压(v)
3.6
1.2
1.2
2.0
能量密度(Wh-kg-1)
100~160
65
50
35
循环寿命(次)
500~1200
300~700
300~600
150~400
自放电率(%/月)
6~9
30~35
25~30
6
工作温度范围(℃)
-20~60
-20~65
-20~65
-40~65
容量
高
中
低
低
安全性能
安全
安全
安全
不安全
记忆效应
无
无
有
无
环境污染
无
无
有
有
成本价格
高
中
低
低
通过表2.1可以清楚地看出锂电池与其它各型主流电池的性能特点,锂电池除造价及工作温度范围两项外,性能均表现突出,综合性能最高。
综合锂电池的优缺点来看,使用锂电池还是利大于弊的。
并且观其缺点,基本是安全性上的问题,但是只要设有保护电路对锂电池进行实时的监控检测,还是可以使锂电池的使用安全性大大提高的。
所以锂电池成为新一代的主流电池是有其必然性的。
2.1.3锂电池的充电原理
图2.1锂电池充电特性曲线
目前锂电池的充电方法主要有两种,即恒流——恒压充电和脉冲充电。
在本毕业设计中选取的充电器使用的是恒流恒压充电法,所以以下针对恒流恒压法进行详细介绍。
如图2.1所示,锂电池的恒流恒压充电方法充电过程。
电池接入充电器后,充电器首先进行预处理,主要对电池进行检查,检查方法是以A/l5量级的电流对电池进行温和的预充看其电压能否上升到规定门限(2.5V),否则断定电池报废;成功预充电后则进入恒流区,以较高的恒定电流约1A对电池进行快速充电。
当电池电压到达恒压门限(4.2V)时,电池容量接近于满容量的40%至70%,转入恒压区,对电池进行恒定电压充电,随着电池电压的不断上升,充电电流不断减小,当充电电流降到A/10或A/15量级时终止充电,即电池充电完成。
锂电池充电的速度决定于充电器的恒流区输出电流,即最大充电电流。
最大充电电流大则充电速度快,最大充电电流小则充电速度慢。
一般锂电池所用的充电电流设定在0.2A至1A之间,电流越大,充电越快,但同时电池发热也越大。
而且,过大的电流充电反而会使电池容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间,电流过大将导致反应时间不充分。
就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。
2.1.4锂电池的放电原理
锂电池的放电可以理解为是其充电的逆过程。
对于锂电池来说,自放电率是很低的,所以其正常使用的过程就是放电的过程。
锂电池的放电只需要注意两点:
第一,放电电流不能过大,过大的电流导致电池内部发热过大,有可能会造成永久性的损害。
第二,绝对不能过放电,锂电池一旦放电电压低于2.0V,将可能导致电池内部材料损坏严重的将导致电池报废。
图2.2锂电池放电特性曲线
由图2.2可以知道,放电电流越大放电曲线的下降趋势越大,也就是放电的速度越快。
同时越大的放电电流也会导致电池发热,严重的将对电池造成损伤。
所以为了保证电池的使用安全以及电池的供电效率,应选用不过大的适宜的供电电流。
2.1.5锂电池的工作过程
锂电池每一个“充电——放电”过程,称为一个充放电循环。
锂电池从工作开始,每个循环后的容量都会出现轻微下降,这是由电池的电极材料的性质决定的。
按照国家标准,当容量下降到额定容量的60%时,即认为电池寿命结束。
通常锂电池寿命不小于500次循环,就是指500次充电循环后,容量不小于额定容量的60%。
一般的充放电循环,是“充满——放空”。
这样对电极材料来说负荷时比较大的。
所以每次充电不要完全充满,放电不要完全放空,可以大大延长锂电池的寿命。
有测试说,如果把充放电过程控制在80%的容量,循环寿命可以超过2000次。
控制电池使之充放电量控制在80%左右靠锂电池本身是不可能的,这也要通过保护板来实现,只要调节保护开启阀值就这一做到这点。
2.1.6锂电池保护的必要性
当锂电池发生过度充电时,电池内电解质会被分解,使得温度上升并产生气体,使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机。
在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。
在过流使用或是短路的情况下,会使电池因使用电流过大而温度过高导致外壳变形、电解液泄露甚至爆炸。
从分子层面看,锂电池的过充过放将可能对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。
可以直观的理解为,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,而这种结构上的塌陷是无法恢复的;过度充电则将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来,使电池的容量大幅下降。
总之,锂电池的过充和过放都会对电池本身以及用电设备造成很大的损害。
而要极大程度地避免这些,使用锂电池保护电路就可以了,这也正是锂电池保护电路必要性的原因所在。
2.2锂电池充电器的介绍
2.2.1锂电池充电器简介
锂离子电池充电方式主要方式有两种,恒流——恒压方式和脉冲方式。
对于适用于单节锂电池的充电器其输入为110v~220v交流市电,输出电压一般为4.2v,输出电流范围在100mA~600mA之间,普遍为300mA。
锂电池充电器通过监测电池的电压判断电池是否充满,检测电池电压是否达到4.2v。
为有效利用电池容量并保证不过充需要较高的电压检测精度,一般精度需要高于5%,为保证安全充电,充电终止检测除电压检测外仍需采用其它的辅助方法作为防止过充的后备措施,如监测电池温度、限定充电时间等。
另外,由于锂离子电池出现过放电时同样会造成电池的损坏,一般在电池充电前需要检测电池是否可充,通常在对锂离子电池进行预充电时需保证每节电池电压高于2.5v,这就要求充电器具有预充过程。
由此可见,锂离子电池具有较高的性能指标,但对充电器的保护措施要求较高,所以每种类型的锂电池都需要使用与其配套的充电器。
2.2.2恒流——恒压式锂电池充电器
本毕业设计所用的锂电池充电器是恒流——恒压方式的手机充电器,所以对其做具体介绍。
图2.3恒流——恒压式手机锂电池充电器
如图2.3所示,其为一个简单的恒流——恒压式手机锂电池充电器。
输入220v交流市电,输出接锂电池进行充电。
其对锂电池充电的特性曲线见锂电池充电原理一节的图2.1。
其工作原理:
三极管VT1为开关电源管,它和变压器线圈、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。
接通输入电源后,电流经启动电阻R1流向开关电源管VT1的基极,使VT1导通。
当VT1导通后,变压器的初级线圈Np就加上了输入直流电压,其集电极电流Ic在Np中线性增长,反馈线圈Nb中产生3正4负的感应电压,使VT1得到基极为正,发射极为负的正反馈电压。
此电压经C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大,正反馈产生雪崩过程,使VT1饱和导通。
在VT1饱和导通期间,整体线圈通过初级线圈Np储存磁能。
与此同时,感应电压给C2充电随着C2充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时,VT1便退出饱和区进入放大区。
VT1进入放大状态后,其集电极电流由放大状态前的最大值下降,在反馈线圈Nb产生3负4正的感应电压,使VT1基极电流减小,其集电极电流随之减小,正反馈再一次出现雪崩过程,VT1迅速截止。
VT1截止后,变压器线圈储存的能量提供给负载,次级线圈Ns产生的5负6正的电压经二极管VD1整流滤波后,在C上得到直流电压给手机电池充电。
在VT1截止时,直流供电输人电压和反馈线圈Nb感应的3负4正的电压又经R1、R3给C2反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通。
之后再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去,持续对输出端输出直流电。
电路中的R5、R6、VD2、VT2等组成了限压电路,以保证电池不被
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