动力磷酸铁锂电池充电电源的研制-AET-电子技术应用

动力磷酸铁锂电池充电电源的研制

2014年微型机与应用第10期

陈昌元

合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥

摘要： 由于锂电池[1]具有电压高、体积小、自放电小、无污染、无记忆效应、质量轻和循环寿命高等优点，锂电池将在今后的动力电池市场上占有越来越大的市场份额。锂电池中的磷酸铁锂电池在最近几年逐渐成为动力电池和备用电源的主要应用电池。相比于其他动力电池，磷酸铁锂电池具有很大的优势，并且已经得到了很广的生产和应用，就目前而言，其被认为是未来电动车最理想的动力电池。因此，对磷酸铁锂电池充电特性研究，并基于此设计开发的磷酸铁锂电池充电电源具有很高的市场价值。

关键词： 磷酸铁锂电池充电方法 LPC936 开关电源增量式PI

Abstract：

Key words :

　　摘要：基于LPC936微控制器，采用高频开关电源技术设计了一款输出电压电流可调的智能充电电源，并根据磷酸铁锂电池充电过程的电化学特性，提出了改进型的磷酸铁锂电池恒压恒流充电方法。实验结果证明，该充电电源可按预置的给定充电曲线自动控制充电过程，充电过程电池温升低。该充电电源具有体积小、免维护和高效节能等优点。

　　关键词：磷酸铁锂电池；充电方法；LPC936；开关电源；增量式PI

　　由于锂电池[1]具有电压高、体积小、自放电小、无污染、无记忆效应、质量轻和循环寿命高等优点，锂电池将在今后的动力电池市场上占有越来越大的市场份额。锂电池中的磷酸铁锂电池在最近几年逐渐成为动力电池和备用电源的主要应用电池。相比于其他动力电池，磷酸铁锂电池具有很大的优势，并且已经得到了很广的生产和应用，就目前而言，其被认为是未来电动车最理想的动力电池。因此，对磷酸铁锂电池充电特性研究，并基于此设计开发的磷酸铁锂电池充电电源具有很高的市场价值。

　　1 磷酸铁锂电池充电方法

　　电池充电是一个非常复杂的过程，其复杂性主要表现在其多变量、非线性时变和离散性。影响磷酸铁锂电池充电特性的因素很多，如活性物质活度、电池初始荷电状态、温度、电池使用历史、电池极化现象和充电电流大小等。充电方法[2]的研究在电池研究领域占有很重要的地位。对于水溶液电解质蓄电池，传统的充电方法有：恒流充电、恒压充电、恒压限流、恒流限压和恒流恒压充电等，还有一些新型的充电方法，如分段充电、电压间歇充电和正负脉冲充电等。目前，市面上的磷酸铁锂电池充电电源常规的充电方式有恒压充电和恒流限压充电两种。恒压充电要严格定义充电电压，电压过低会导致电池充不满电，过高则会使得初期充电电流过大，初期充电电流不宜超过0.3 C（C为蓄电池的额定容量）。恒流限压充电，初期以恒定的电流充电，当端电压达到一定值时，改为恒压充电，恒流阶段电流过低，则会导致充电时间延长，时效低，电流过大，对于过放电的电池将会导致严重的损害。

　　与水溶液电解质电池不同的是，磷酸铁锂电池[3]是以橄榄石结构的LiFePO4作为正极，以碳材料作为负极，正负极之间用聚合物隔膜隔开。磷酸铁锂电池充电放电化学过程如下。

　　充电反应：

　　LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+（1-x）LiFePO4

　　放电反应：

　　FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+（1-x）FePO4

　　磷酸铁锂电池充电过程中，锂离子Li+从正极迁移到负极，实验表明，对于单体电池，充电电压上限值为3.65 V，即锂离子几乎完全从LiFePO4脱出形成FePO4。因为磷酸铁锂电池不具有水溶液电解质蓄电池常有的过充保护机制，如果继续充电，将会导致电池端电压急剧上升，这样会使得电池过充。一旦过充电，在正极由于锂离子的过多脱出而发生不可逆的结构性变化，负极上可能会产生金属锂的表面析出，而且可能会发生隔膜分解等副反应，由此导致电池循环使用寿命的急剧减少。放电过程中，锂离子从负极迁移到正极，放电电压过低时，即锂离子几乎完全与FePO4结合形成LiFePO4，电池供电能力极弱，当电池电量很低时，不宜采用大电流充电，否则会导致电池内部结构性变化从而减少电池循环使用寿命，并且对于磷酸铁锂电池，大电流充电极易导致电池电量不能充满。静置后满电量磷酸铁锂单体电池标称电压为3.2 V。

　　基于磷酸铁锂电池的化学特性，本设计采用改进型的恒流恒压式充电方法，对于磷酸铁锂单体电池，当单体电池电压小于2.5 V时采用0.8 A（0.1 C）小电流涓流充电；当电池电压大于2.5 V时采用2.4 A（0.3 C）电流恒流充电，充至给定电压为3.65 V时转入恒压充电。此时，充电电流将不断下降，当下降到0.8 A（0.1 C）时，停止充电，认为充电完成。由于设计中的电池是由16节单体电池串联构成，如图1所示，当电池电压小于40 V时采用0.8 A电流涓流充电，大于40 V进入恒流阶段，采用2.4 A电流充电，充至给定电压为58.4 V时转入恒压充电，当充电电流下降到0.8 A时认为充电完成，虽然磷酸铁锂电池自放电小，但仍然存在自放电现象，在充电结束之前，以0.8 A电流定时充电10 min，磷酸铁锂电池充电曲线如图1所示。

　　2 充电电源电路设计

　　根据上述分析而设计的智能型磷酸铁锂电池充电电源[4]，主要由以高频开关电源[5]为核心的功率部分和以单片机为核心的控制部分组成。

　　充电电源总体结构如图2所示，电网电压经过输入整流滤波电路，输出300 V左右的直流电，再经过半桥拓扑电路输出的直流电给蓄电池充电，对输出端的输出电压和输出电流采样，并经过运放隔离后送至单片机A/D转换引脚，其中，负的电流采样后经过霍尔电流传感器处理。根据蓄电池充电的不同阶段，由单片机输出两路相位相差180°的合适占空比的PWM，两路PWM经过隔离驱动电路后送至MOSFET管的栅极作为控制信号，控制输出端的电压和电流，并将充电的状态实时显示出来。

　　2.1 输入整流滤波电路

　　本设计采用交流220 V输入，经过共模扼流圈和整流桥，输出300 V左右的直流电压。具体电路设计如图3所示，其中共模扼流圈L1有效地降低了电源输入部分的共模干扰。

　　2.2 半桥变换器电路

　　设计的半桥电路原理图如图4所示。300 V直流电压经过R3、R4、C7、C8精准分压，其中R3=R4=51 k?赘，R1、R2确保开关管可靠关断；D1、D2有效地抑制变压器原边开通和关断瞬间产生的尖峰电压；串联耦合电容C9防止偏磁现象的发生，经计算，选择2.2 ?滋F电容。

　　由于铁氧体材料磁芯具有高电阻率、损耗小和温度影响低等优点，故采用铁氧体作为变压器T1的磁芯材料，选择ETD44形状磁芯作为变压器磁芯，根据法拉第定律可知，得原边最小线圈匝数的计算式为：

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　　其中，Np为初级线圈匝数，Vp为原边线圈电压，ton为每周期导通时间，?驻B为磁通密度增量，Ae为磁芯最小面积。最大导通时间为开关周期的80%；变压器工作频率为50 kHz；为了保证变压器能正常工作，取ton为最大导通时间8 ?滋s；允许电网电压上下波动为20%；将直流输入电压Vdc取最小值为220 V×0.8×1.414=249 V；ETD磁芯Ae为174 mm2；根据工程经验，?驻B取0.4 T。最小初级匝数Np为：

　　对应的线径为0.518 mm，根据线径对照表，并留一定的裕量，取线号为AWG#23，线径为0.574 mm。

　　同理可知，变压器副边绕组选取线号AWG#20，线径为0.813 mm。

　　MOSFET管Q1和Q2选择可承受500 V电压和20 A电流的IRFP460；输出整流管选择信号为SC60SC3M的肖特基二极管，其正向可承受电流为60 A，反向耐压为30 V。

　　3.3 隔离驱动电路

　　图5为隔离驱动电路。LPC936单片机输出两路相位相差180°的PWM信号，为了防止开关电源部分对单片机PWM干扰，设计中采用两片6N137对PWM信号进行光耦隔离，隔离后的PWM信号再送至IR2110进行功率放大，以驱动功率管IRFP460。

　　D5和C16构成了自举电路[6]，使得Q1有效工作，自举法是功率MOSFET管驱动简单而有效的方法。高压侧自举供电，整个电路只需要一个电源，简化了电路，减少了成本。此电路的关键在于自举电容和自举二极管的选取。

　　自举二极管D5应选择高频的快恢复二极管，本文选择耐压700 V的UF4007。经计算和反复调试，自举电容C16选择0.15 ?滋F。

　　3.4 控制电路

　　该系统的控制器采用LPC936单片机，对充电过程进行控制，以单片机为核心的控制部分主要完成3个功能：（1）对给定的电压和电流进行采样，实现A/D转换；（2）根据采样的电压和电流的大小，给出两路占空比可变的PWM信号；（3）对充电状态进行显示，包括红绿指示灯显示，充电电压电流显示。设计中LPC936单片机28个引脚的模式和功能如表1所示。

　　4 充电电源系统软件设计

　　根据磷酸铁锂电池的充电特性，将电池充电过程分为预充电、恒流充电、恒压充电和定时充电4个阶段。软件流程图如图6所示。

　　为了使得输出电压和电流能动态跟踪给定电压电流曲线，本设计采用电压、电流双闭环PI控制系统，由于增量式PI有计算量小等优点，故采用增量式PI控制算法。两个恒流充电过程中，调用电流PI控制；恒压充电过程中，调用电压PI控制。流程图如图7所示。

　　5 实验结果与分析

　　实验中以标称电压为51.2 V的磷酸铁锂电池为充电对象，在锂电池不同初始电量情况下进行多次充电实验，实验结果如表2所示。实验结果显示，各充电阶段能够稳定切换，电池充电过程总温升较低，由于电池充电过程存在极化现象，充电结束后，电池静置过程中，电压缓慢下降，经过10 h静置后的电池电量基本维持在51.2 V左右。

　　实验结果表明，4阶段的充电方式、充电电源硬件电路和软件的设计合理，另外，该充电系统具有很强的可移植性，对于不同种类的蓄电池以及不同的给定充电方式，只需稍加改动，便可满足充电需求。

　　最后，为了进一步验证和直观地展现充电过程，本文在MATLAB环境下，基于初始端电压为38 V的磷酸铁锂电池的理想PNGV模型[7]对于电池充电预充电阶段、恒流阶段、恒压阶段做了充电仿真实验。其充电电压，电流仿真结果分别如图8和图9所示，仿真结果更加直观地显示了充电的整个过程。