基于MCU的锂离子电池有效管理解决方案

锂离子电池具有体积小、重量轻、容量高、使用寿命长、无污染、无记忆效应等优点，在消费电子领域及其他场合得到了广泛应用。采用电池管理器对锂离子电池的充放电进行有效管理，可以延长电池的使用寿命。目前，锂离子电池充电器方案主要有采用专用芯片控制构成和采用MCU(单片机)控制降压型(Buck)变换器两种方案。专用芯片控制方案构成简单但功能单一，通常只能对特定参数的锂离子电池进行充电。但是，不同型号的便携式产品往往使用不同型号规格的锂离子电池，如果采用专用芯片，就会造成重复开发和资源浪费。而采用单片机控制。Buck电路则精度高，成本低，而且控制方法灵活，可方便地进行改进和升级，从而适用于不同型号的锂离子电池。

本文在介绍锂离子电池充放电特性的基础上，设计了一种安全高效的电池管理器。采用单片机控制Buck变换器对电池进行充电控制，同时，增加外部电路在电池充放电过程对电池进行保护，实现对锂离子电池的有效管理。

1锂离子电池充放电特性

锂离子电池的正极材料为LiCoO2，负极材料为石墨晶体，这两种材料都具有层状结构，允许锂离子进出。锂离子电池在充电时发生如下主要化学反应：
正极：

负极：

以上反应均为可逆反应，电池在放电时发生逆反应。在一定的条件下，电池内部还会发生一些副反应，在极端情况下，这些副反应会导致电池电解质燃烧或爆炸。因此，锂离子电池的安全性能一直都倍受人们的关注。但是，目前关于锂离子电池中电解质燃烧或爆炸的过程认识还不很统一。可能造成电池着火、爆炸的反应主要有：

a)Li+在正、负极嵌入后形成的Li1一xCoO2受热会放出氧气，而Lixc6遇氧气就会燃烧，产生大量的热。

b)在多次充放电后，石墨负极的表面往往会形成一层SEI膜，阻止电解液与石墨负极之间相互作用。但当温度升高时，sEI膜会发生分解反应，引起电解质与负极表面发生不可逆反应，导致不可逆容量形成并产生热量，使温度进一步上升。

c)温度升高时，溶剂与电解质也会发生反应，放出热量。

由此可见，锂离子电池的安全性能和电池容量与温度密切相关，当电池温度升高时，电池内部将发生一系列化学反应，导致不可逆容量形成并产生大量热量。如果电池内部反应产生的热量远远大于电池散热量，就会使电池温度达到着火点，引起电池燃烧或爆炸。正是由于锂离子电池的这些内部特性，使它的充放电速率都受到了限制，它无法像镍镉电池那样，在短时间内急速充电，也无法大电流放电，否则，锂离子电池的容量、寿命将会减少，甚至引发电池爆炸或燃烧。 兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电方式。充电初期，先用1 c恒定速率充电，电池电压逐渐上升。当单体电池电压上升到4．1 V(或4．2 V)时，充电器转入恒压充电方式，单体电池电压波动控制在50 mV内，此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一设定值时，即可认为电池充电满。图1为锂离子电池的充电特性曲线示意图。为了保证锂离子电池的放电容量，通常要求它的最大放电速率为1 c。

在使用锂离子电池时，电池的过充与过放也是一个值得注意的问题。锂离子电池过充时，过量的Li+没有负极材料可供嵌入，那部分Li+就会在负极表面还原为金属锂析出，从而带来短路的危险，而且，引起正极活性物质结构发生不可逆变化和电解液分解，产生大量气体，放出大量热量，使电池温度和内压增加，存在爆炸、燃烧等隐患。锂离子电池过放电时，负极及其表面的SEI膜中的Li+可能全部脱出，SEI膜被破坏。当电池再次充放电循环时，重新形成SEI膜稳定性和致密性可能变差，需要的Li+量较大，由此造成放容量和充放电效率降低。因此，在锂离子电池充放电时，通常都要求单体电池电压不得高于4．5 V或低于2．2 V。
2锂离子电池管理器方案设计

为了简化电池的充电要求，管理器与电池同置于电池包外壳内。充电时，可用AC适配器通过管理器的输入端口对电池充电，放电时，电池通过管理器输出端口放电。

下面以两节2 000 mA·h锂离子电池为例设计一种Buck型电池管理器。主要接口参数如下：输入电压为9 V，恒流充电电流为(2±0．1)A，充电截止电压为(8．35±0．05)V，单体电池放电截止电压为2．3 V。

2．1主电路设计

管理器主要由功率电路、控制电路和保护电路3部分组成。电池管理器的主电路和控制框图如图2所示。L1、C1、D2、Q1等构成Buck电路。R1、R2串联后并于电池两端，提供采样电压。R3串于充电回路中，提供采样电流。Q2构成电池放电回路。控制电路由5 V电源、Mcu控制、Q1驱动电路组成