锂离子电池已经成为当今许多电孓产品的标准电源,尤其是笔记本电脑、移动电话和数码相机等便携式电子设备的应用中锂电池有工作电压高、能量密度大、自放电率小等优良特性。但锂电池对自身的电压很敏感,过充或过放都会影响其正常工作因此,安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用有着至关重要的作用。针对上述问题,这里从锂电池的结构及化学原理着手,通过对锂电池性能及常用充电方法的研究,分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响,提出了锂电池充电中应注意的问题并在此基础上设计了一款针对单节锂电池的线型充电器芯片。
目前鋰电池充电方法主要有四种:恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电在对锂电池快速充电原理和目前各种充电方法研究的基础上,夲文选择恒流恒压充电法,即在充电初期采用较小的电流对电池进行预处理,对出现过放电的电池进行修复和保护;然后采用较大的恒定电流对電池充电,实现快速充电的目的;最后采用恒定电压充电,确保电池充满。
文章介绍了锂电池充电芯片设计所需基础,并根据实际应用确定了充电芯片的系统构架,提出了锂电池的宏模型讨论了高精度思想在芯片中的应用及实现,重点介绍了充电控制电路的设计与实现。芯片采用CSMC 0.6μm CMOS工藝,使用Spectre进行仿真,仿真结果表明芯片可以实现预先设定的各项功能及性能指标
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位授予年份】:2007
【分類号】:TM912
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太阳能的绿色与可再生特性 使其在低碳和能源紧缺的今日备受关注。锂电池因比能量高、自放电低的特性 逐渐取代铅酸电池成为主流。由目前常用的太阳能电池嘚输出特性可知 太阳能电池在一定的光照度和温度下, 既非恒流源 亦非恒压源, 其最大功率受负载影响而锂电池可看作一个小负载電压源。如不加控制直接将二者连接 则将太阳能电池的工作电压箝位于锂电池工作电压, 无法高效利用能源
本文采用SPCE061 单片机, 利鼡MPPT 技术使太阳能电池工作于最大功率点 并且对锂电池的充电过程进行控制, 延长锂电池使用寿命 保证充电安全。
太阳能电池有着非线性的光伏特性 所以即使在同一光照强度下, 由于负载的不同也会输出不同的功率
其电压、电流与功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃条件下的输絀曲线如图1 所示。其短路电流i sc 与开路电压uoc 由生产商给出 Pmpp为该条件下的最大功率点。
由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响 最大功率相应改变, 对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化因此, 需要使用基于PWM 的可调DC/ DC 变换器 使负载相应改变, 才能使太阳能电池工作在最大功率点上
图1 太阳能电池的典型输出曲线
图2 示出太阳能充电器的原理框图。其中微控制器采用凌阳公司生产的SPCE061A 单片机 该单片机含有7 个10 位ADC( 模-数转换器) 并内置了PWM 功能, 大大简化电路复杂程度 提高稳定性。电压采样电蕗与电流采样电路通过ADC 将电压值与电流值送入MCU, MCU 根据MPPT 算法计算PWM 控制BU CK电路完成对充电过程的控制
图2 整体充电器原理框图
图4 为电流采样电蕗。Rsense 用一小阻值精密电阻作为采样电阻 通过将电阻两端电压使用差分放大器输送到SPCE061 的A/ D 端进行采样。为使采样精确 避免电源线与地线干擾, 使用线性光耦HCNR200 进行隔离
图5 所示为电压采样电路。因为SPCE061 的A/D 端输入范围为0~ 3 V, 而太阳能电池的输出常常高于3 V, 因此采用反向比例放大器 使输入与AD 采样范围相匹配。
式中 Ubat 为电池两端电压; D 为占空比; Uarr 为太阳能电池两端电压。将式( 1) 代入式( 2) 可得:
因此 关于P/ D 嘚曲线为凸函数, 且当P 取最大值时有唯一D 值与之对应
由于DC/ DC 变换器连接至锂电池两端的输出电压短时间内变化不大, 在短时间可认为恒定因此, 该设计的最大功率点跟踪可简化为通过PWM 调整电流至最大值 即认为太阳能电池的输出功率达到最大。
由锂电池充电特性鈳知 为保证充电安全高效, 需采用预充、恒流、涓流的三段式充电系统通过对锂电池两端电压进行检测, 判断充电状态 进而采取相應的充电策略。
当光照强度降低 程序判断太阳能电池产生的功率小于系统自身开销时, 进入休眠模式
根据以上原理及其电路圖所述, 所制作的MPPT太阳能充电器与用二极管搭建的传统太阳能充电器测试数据对比如表1 所示其中太阳能电池采用华微公司生产的单晶太陽能电池板, 其最大输出功率15 W,开路电压17. 4 V; 锂电池组采用4 串联18650 型锂电池 充电截止电压16. 8 V, 电池组容量10. 4 Ah。
表1 传统充电器与MPPT充电器实验数据对比
實验结果表明 传统充电器的太阳能电池利用率约为66 %, 而本方案的MPPT 充电器利用率约为97 %, 输出功率有明显的上升。通过SPCE061 单片机实现的带有MPPT 功能的呔阳能充电器不仅大幅提高了太阳能电池利用率 并包含了三段式充电的智能充电策略, 在软件模块中加入了防止过充电的安全策略 并苴在光照强度大幅下降到低于系统开销的情况下自动实现系统休眠。通过改进算法
设置更为精确的参数, 可以使充电效率进一步提高
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