基于MCU的锂离子电池有效管理解决方案

。MCU用于监控电池的充电过程，使电池安全高效地充电。根据单片机可实现范围及PwM精度综合考虑选择开关频率为20 kHz。

2．1．1 电路的工作原理

当Ac适配器接通电源R寸，Q2关断，电池不参与供电，输入电源通过Dl向负载供电。同时5 V电源工作，Mcu产生PwM信号，使能Q1驱动电路，输入电源通过Buck电路给电池充电。当AC适配器与电源断开时，5 V电源被切断，此时Q1关断、Q2导通，电池通过Q2给负载供电，实现低压降放电。

2．1．2 电路参数的设计原则和选取

当充电电流下降至c／lO时，即认为电池充电满。为了保证在整个充电过程中电池充电电流连续，那么，要求电感u的临界连续电流不高于c／10，即0．2 A。另外，电池充电时，电池电压波动范围必须限制为一0．05 V～+0．05 V，即要求电容c1的峰峰值纹波电压低于O．1 V。由此可计算出所需的L1和cl值。

为了保证采样精度和减小电路损耗，选择R1=R2=150 kΩ。由于R3串于充电回路中，所以R3必须尽量小，否则，会使充电回路压降变大，损耗增大，充电效率降低，且管理器发热量大。这里选择R3=0．02 Ω。

由于R3很小，所以通过R3采样得到的电流信号也很小，为了减小采样数据的相对误差，必然要对电流采样信号进行放大。本文采用了一个比例放大电路对电流信号进行放大，其放大倍数根据运算放大器的最大正向输出电压和电池的充电电流大小来选择。放大倍数太大，会使运算放大器工作在非线性区，导致采样错误，放大倍数太小，会增大采样数据的相对误差。

2．2软件设计

2．2．1电压、电流控制算法

为了实现恒流转恒压的充电模式，本文采用电压、电流双闭环控制，其控制框图如图3所示。

首先，电压给定值与电压采样值相减，将得到的误差量进行PI运算，电压经过PI处理后再经过限幅处理得到电流基准值，输出至电流数字Pl调节器。然后，电流基准值与电流采样值相减，将得到的误差量进行PI运算，电流经过PI处理后再经过限幅得到所需的占空比。MCu就是通过调节PwM信号的占空比，来实现恒流转恒压的充电模式。

2．2．2充电过程控制

电池的充电过程大致分为预充电、快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段。

开始充电时，如果电池的电压不在快充允许的范围内，在电池充电初期补插一个预充阶段。预充阶段电池以C／10恒定电流充电，直到电池的电压上升到没定的阈值后进入快充阶段。 当电池电压符合快充条件时，充电过程进入快速充电阶段。快速充电阶段采用恒流充电方式，以1 C恒定电流充电，直至单节电池电压上升到4．1V(或4．2 V)。此时，电池应转入补足充电阶段。

补足充电阶段采用恒压充电方式。在这一阶段中，电池电压不变，电流逐渐减小，当电流小于C／10时，电池充电满，进入涓流充电阶段。

充电控制和状态切换在主程序中实现，充电计时和状态显示在定时器中断程序中实现。图4为主程序流程框图。

2．3电池保护

串联的各单体电池的容量有一定的差别，在充电过程中，若一个电池已经充足电，另一个电池尚未充足，如果继续对串联电池组充电，已充足的那只电池就会过充电。在放电过程中，若一个电池已放完电，另一个电池尚有一定剩余电量，如果继续放电，先放完电的那只电池将发生过放电。可见，串联电池组容易出现单体电池过充和过放现象。

采用单片机可以实现对单体电池的电压和放电电流的监控，防止单体电池过充和过放，但是这要求单片机始终处于工作状态，静态功耗大，在电池放置不使用时，电池还需向单片机供能，这对电池组的输出容量影响较大。本文采用锂离子电池专用保护芯片S一8232，该电路可以实现过充、过放、过电流保护，而且工作电流小，具有多种参数型号，可以满足电池组不同保护参数需求。

3实验结果

根据以上的设计方案，设计了一个锂离子电池管理器。实验结果表明，该管理器可以有效防止单体电池过充电和过放电。图5是根据电池充电过程得出的电池电压、电流变化曲线。电池从放完电后开始充电到充满电大约需要4．5 h。预充时，管理器以C／10的恒定电流给电池充电，电池电压逐渐升至6 V。然后充电电流迅速升至2 A并稳定在2 A左右，此时，电池电压不断上升，当电池电压升至8．35 V时，充电电流开始减小，但电池电压始终稳定在8．34 V～8．37 V之问。当充电流降至0．2 A左右时，指示灯显示充电满，管理器对电池进行涓充，一段时间后，充电结束，此时，电池电压略微有点下掉。

4结束语

本文在介绍锂离子电池充放电特性的基础上，设计了一种Buck型电池管理器。该管理器采用单片机对电池的充电电压和电流进行控制，此外，还采用了专用芯片对单