鋰離子電池充放電平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）I鋰離子電池充放電平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充放電平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專業(yè)：電子信息工程 學(xué) 號(hào)：201203044052 姓名：夏雨雷 指導(dǎo)老師：鄧華軍摘摘 要要隨著集成電路的迅速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品都在朝著便攜和小型輕量化的方向發(fā)展。供電系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化，由原來(lái)笨重的其他材料型電池改為鋰離子電池供電。鋰離子電池體積小、質(zhì)量輕、污染小、利用效益高。對(duì)充放電控制系統(tǒng)有嚴(yán)格的要求，故擁有一款性能良好的充放電平衡系統(tǒng)非常重要，本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2 為主控核心，利用 PI 算法控制充電過(guò)程中電流動(dòng)態(tài)平衡，系統(tǒng)由顯示電路、保護(hù)電路、電壓采樣

2、電路組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子充放電控制基本功能，提出設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可靠性好，實(shí)用性強(qiáng)，可作為于各種小型電子設(shè)備的充放電裝置。關(guān)鍵詞：鋰電池 STC12C5A60S2 PI 算法 采樣電路 電流動(dòng)態(tài)平衡 安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）IIDesignDesign andand implementationimplementation ofof thethe chargingcharging andand dischargingdischarging balancebalance systemsystem forfor lithiumlithium ionion batteryba

3、tteryWith the rapid development of integrated circuits, all kinds of electronic products are moving in the direction of portable and small lightweight. Great changes have also occurred in the power supply system, which changed from the original bulky other materials to the lithium-ion battery power

4、supply.Lithium ion battery has the advantages of small size, light weight, low pollution and high efficiency. It has strict demand on charging and discharging control system, so it has a good performance of charge and discharge balance system is very important. This design is based on STC12C5A60S2 a

5、s the control core, PI algorithm is adopted to control the charging process in the current dynamic balance, the system consists of a display circuit, a protection circuit, a voltage sampling circuit. To achieve the basic functions of lithium ion charge and discharge control, puts forward the design

6、idea and system structure. The system has good reliability, strong practicability, charging and discharging device can be used as small electronic devices in various.Key words: Lithium-ion battery STC12C5A60S2 The indicator light circuit The liquid crystal display circuit Protection circuit 安順學(xué)院 201

7、6 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目目 錄錄1 1 緒論緒論.11.11.1 課題研究的背景課題研究的背景.11.21.2 課題研究的意義課題研究的意義.11.31.3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.11.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀.21.41.4 課題研究的主要內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容.22 2 整體設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)方案.32.12.1 BUCKBUCK 降壓電路選擇降壓電路選擇.32.22.2 電流控制選擇電流控制選擇.32.32.3 總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖.43 3 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).53.13.1 系統(tǒng)供電電路系統(tǒng)供電電路.53.23.2 BU

8、CKBUCK 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì).53.33.3 輸出電壓和動(dòng)態(tài)電流平衡設(shè)計(jì)輸出電壓和動(dòng)態(tài)電流平衡設(shè)計(jì).63.3.1 輸出電壓電路設(shè)計(jì).63.3.2 動(dòng)態(tài)電流電路平衡設(shè)計(jì).63.43.4 控制電路和顯示電路設(shè)計(jì)控制電路和顯示電路設(shè)計(jì).73.4.1 控制電路設(shè)計(jì).73.4.2 顯示電路設(shè)計(jì).83.53.5 充電方式選擇電路設(shè)計(jì)充電方式選擇電路設(shè)計(jì).9安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3.63.6 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì).103.6.1 充電過(guò)溫保護(hù)設(shè)計(jì).103.6.2 充電過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì).113.6.3 放電保護(hù)設(shè)計(jì).124 4 軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).134.1

9、4.1 軟件設(shè)計(jì)流程軟件設(shè)計(jì)流程.134.24.2 PIPI 控制原理和控制原理和 PIPI 函數(shù)函數(shù).144.2.1 PI 控制原理 .144.2.2 PI 控制函數(shù) .155 5 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試.175.15.1 主要測(cè)試儀器儀表主要測(cè)試儀器儀表.175.25.2 測(cè)試方法測(cè)試方法.175.35.3 測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試結(jié)果分析.186 6 結(jié)論結(jié)論.19參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).20致致 謝謝.21附錄附錄.22安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11 1 緒論緒論1.11.1 課題研究的背景課題研究的背景鋰離子電池是二次能源，具有質(zhì)量輕、體積小、無(wú)污染、放電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是20 世紀(jì)動(dòng)力能

10、源的首選，廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如航天供電系統(tǒng)、醫(yī)療供電系統(tǒng)、民用電子產(chǎn)品中，最典型的是手機(jī)供電系統(tǒng)。目前中國(guó)鼓勵(lì)大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新，在珠三角以及沿海一帶，崛起許多以鋰離子二次能源為創(chuàng)新發(fā)展的廠商，力圖進(jìn)軍鋰離子的研發(fā)，打造具有中國(guó)自主品牌的高性能鋰離子電池。鋰離子電池的性能與充放電裝置有關(guān)，其性能取決于充放電裝置系統(tǒng)，鑒于此，本文圍繞鋰離子電池組充放電特性。設(shè)計(jì)一款功能完善的充放電裝置系統(tǒng)。1.21.2 課題研究的意義課題研究的意義日異月新的科技變化，許多電子產(chǎn)品都朝著集成化方向發(fā)展。供電方式也隨之改變，轉(zhuǎn)為體積小、質(zhì)量輕、放電能力強(qiáng)的鋰電池供電。鋰離子電池組對(duì)充放電裝置要求苛刻，充放電裝置必

11、須有較高自動(dòng)控制精度。另外，鋰離子電池由于過(guò)放，電壓較低，充電時(shí)需進(jìn)行預(yù)充，電壓升高后，才能采用恒壓恒流充電，充電完成后，為防止過(guò)充，系統(tǒng)必須自動(dòng)判斷，并斷開(kāi)充電電路保護(hù)電池。鋰離子電池組充放電平衡系統(tǒng)裝置是電池能量的補(bǔ)充裝置，關(guān)系到鋰離子電池組的使用壽命和指標(biāo)，設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)良的充放電裝置意義深遠(yuǎn)，故實(shí)現(xiàn)安全高效充放電控制已成為鋰離子電池組推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。1.31.3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀自鋰離子電池問(wèn)世以來(lái)，鋰離子電池能量補(bǔ)充裝置應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)鋰離子電池充放電裝置種類繁多，然而國(guó)家監(jiān)督產(chǎn)品質(zhì)量抽查結(jié)果中，40廠家生產(chǎn)的鋰離子電池能量補(bǔ)充裝置不

12、合格。有的就是一個(gè)簡(jiǎn)易變壓器，缺少保護(hù)電路等，使用中易損壞電池。隨著小型化電子設(shè)備的發(fā)展，許多廠家提出以涓流和恒流為主方式充電，進(jìn)行技術(shù)改良，不但提高充電效益，且在保護(hù)機(jī)制上實(shí)現(xiàn)過(guò)充保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。2008 年，聯(lián)想公司研發(fā)的鋰離子電池管理芯片，進(jìn)一步推動(dòng)鋰離子充電器的技術(shù)革新，該電池管理芯片功能齊全，適合市場(chǎng)上大部分鋰離子電池，被許多生產(chǎn)充電安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2器的廠家使用，如宏碁筆記本使用的充電器就使用該芯片作為核心控制。2010 年，芝嘉電源公司研發(fā)的鋰離子電池充電平衡裝置，突破鋰電池充電過(guò)程中的短板，結(jié)合涓流充電和恒流充電，根據(jù)不同鋰電池自動(dòng)調(diào)整

13、充電電流和充電電壓1。但使用開(kāi)關(guān)元器件，電路工作中溫度過(guò)高，降低了充電效益，2012 年，航嘉電源公司利用二次回流充電方式，設(shè)計(jì)出一款充電效益高的鋰離子電池充電器，充電效益為60%。1.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀1990 年日加公司為索尼公司研發(fā)的 F707 型數(shù)碼相機(jī)鋰離子充電裝置，采用并聯(lián)恒流快充方式，由于采用并聯(lián)方式充電，內(nèi)阻比采用串聯(lián)充電小，能快速進(jìn)行能量補(bǔ)充，但鋰離子電池由于個(gè)體存在差異，采取并聯(lián)充電方式，會(huì)降低電池使用壽命。1995 年松下、三洋、湯淺、美國(guó)等電源研發(fā)公司先后研發(fā)了不同類型的鋰離子電池充放電裝置，均取得了一定效果。法國(guó) SAFT 公司是著名的鋰離子電池生產(chǎn)廠商之一，麥克斯

14、先生是該公司的領(lǐng)軍人物，他提出了鋰離子電池充電重點(diǎn)在于電流動(dòng)態(tài)平衡，強(qiáng)調(diào)不同電池組之間千差萬(wàn)別，充電方式也截然不同，簡(jiǎn)單的充電方式無(wú)法滿足鋰離子電池，在他的帶領(lǐng)下，SAFT 公司研發(fā)了一款快速的充電平衡裝置，采用智能脈沖法循環(huán)充電，2014 年日本索尼公司電源研發(fā)人員松田山野，利用麥克斯這一原理，研發(fā)了針對(duì)串聯(lián)法充電的鋰離子動(dòng)態(tài)平衡充電裝置，并且在充電通路中，串聯(lián)一個(gè)電感量高的電感，串聯(lián)電感后使電流具有暫態(tài)效應(yīng)，利用電流互補(bǔ)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，防止因大電流損壞電池?？傊?，國(guó)內(nèi)外研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池充放電裝置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在汲取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)鋰離子電池動(dòng)態(tài)電流平衡充電法進(jìn)行研究，設(shè)

15、計(jì)一款性能穩(wěn)定功能齊全的鋰離子電池充放電裝置系統(tǒng)。1.41.4 課題研究的主要內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容綜合考慮鋰離子電池安全充電及成本，以 STC12C5A60S2 為控制核心，LM2576-ADJ 構(gòu)成 BUCK 降壓變換電路，使用 INA168 時(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，利用精準(zhǔn)的 PI 算法程序動(dòng)態(tài)控制充電電流，有效克服鋰離子電池充過(guò)充、過(guò)流、充電效率低等缺點(diǎn)，且系統(tǒng)具有過(guò)溫、過(guò)放等功能，當(dāng)鋰離子電池溫度為 45時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲停止充電，電池組放電到設(shè)定極限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)電池，停止對(duì)負(fù)載供電，系統(tǒng)能對(duì)不同鋰離子電池組組充電，用戶只需選擇對(duì)應(yīng)的充電按鈕，就能對(duì)不同的電池組充電。安順學(xué)院 2016

16、屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3 2 2 整體設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)方案2.12.1 BUCKBUCK 降壓電路選擇降壓電路選擇方案一：以 LM2576-ADJ 集成電源芯片組成 BUCK 型電路恒流控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)。方案二：由普通的場(chǎng)效應(yīng)管組成降壓電路，調(diào)節(jié)占空比寬度，調(diào)節(jié)電流大小。方案比較：方案一 LM2576-ADJ 集成電源芯片，直接構(gòu)成 BUCK 電路，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電流容易控制和工作穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)容易完成。方案二由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的BUCK 電路，還需加外部驅(qū)動(dòng)電路，占空比要求嚴(yán)格，難度較大，短時(shí)間內(nèi)不易完成。綜合比較，選擇方案一。 2.22.2 電流控制選擇電流控制選擇方案一

17、：采用 STC12C5A60S2 自帶的兩路 AD 轉(zhuǎn)換器采集采樣電阻兩端電壓值，與設(shè)定好的電壓值比較，判斷比較結(jié)果，編程控制單片機(jī)對(duì)輸出電流補(bǔ)償，最終恒流輸出。方案二：運(yùn)用 INA168 檢測(cè)采樣電阻電流大小，由 STC12C5A60S2 完成轉(zhuǎn)換 AD轉(zhuǎn)換。方案比較：方案一，采樣電阻兩端電壓太小，AD 采樣檢測(cè)電流不準(zhǔn)確，普通的補(bǔ)償控制達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。方案二使用 INA168 檢測(cè)電流，利用 PI 算法使充電過(guò)程中電流動(dòng)態(tài)平衡，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得到提高，優(yōu)于其他方法，故選擇方案二。安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）42.32.3 總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖0 至 32V

18、的直流電源輸入后，一部分降壓為 5V，為控制系統(tǒng)供電，另一部分由LM2576-ADJ 構(gòu)成 BUCK 降壓電路，當(dāng)鋰離子電池充電溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟保護(hù)電路，單片機(jī)通過(guò) PI 算法時(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖 2-1 所示：是否由 LM2576-ADJ 集成元件構(gòu)成 BUCK 降壓電路STC12C5A60S2過(guò)壓過(guò)溫檢測(cè)LCD1602 液晶顯示輸出電壓電流檢測(cè)0 V36V 直流電源5 V 電源開(kāi)啟保護(hù)電路斷開(kāi)保護(hù)電路圖圖 2-1 總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）53 3 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)3.13.1 系統(tǒng)供電電路系統(tǒng)供電電路STC12C5

19、A60S2 和液晶屏供電電壓為 5V，采用傳統(tǒng)三端穩(wěn)壓方式，選擇 LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，對(duì)范圍為 5-36V 的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出電壓為 5V，電容 C4 容量為0.1uf，耐壓值為 10V，能濾除紋波干擾。如圖 3-1 所示：圖圖 3-1 系統(tǒng)供電電路系統(tǒng)供電電路3.23.2 BUCKBUCK 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)BUCK 降壓電路的構(gòu)成如下圖所示 3-2 所示：圖圖 3-2 BUCK 降壓電路降壓電路（1）輸入電容 C5 電容 C5 選擇鋁電解電容，PCB 布線時(shí)為減少電磁干，要靠近 LM2576-ADJ 芯片，且使用短引線。vin 輸入電壓 10 V25 V，理論計(jì)算選取 1000 uF

20、/50 V 的電解電容。（2）續(xù)流二極管 D2 安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）6理論上二極管流過(guò)的電流必須大于 1.2 倍的最大負(fù)載電流，LM2576-ADJ 能夠承受連續(xù)輸出短路，故二極管的反向電壓等級(jí)至少為 1.5 倍的最大輸入電壓，選擇INA5822。（3）電感 L 查閱 LM2576-ADJ 芯片手冊(cè)選擇 150uH 的工字形電感。當(dāng)選擇 150uH 電感時(shí)，LM2576-ADJ 發(fā)揮最佳功能。電路輸出最大電流 1A，電壓 8.4V，最大功率 8.4W，電路有熱損耗，電路總輸出效益不低于 70%。3.33.3 輸出電壓和動(dòng)態(tài)電流平衡設(shè)計(jì)輸出電壓和動(dòng)態(tài)電流平衡設(shè)計(jì)3.3.1

21、輸出電壓電路設(shè)計(jì)vout 端串聯(lián) R10 和 R11 兩個(gè) 100K 電阻，分壓后經(jīng) AD2 送至送單片機(jī) P1.4，利用單片機(jī)自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在 LCD1602 顯示輸出電壓，電壓采樣電路如圖 3-3 所示：圖圖 3-3 輸出電壓電路輸出電壓電路3.3.2 動(dòng)態(tài)電流電路平衡設(shè)計(jì)（1）由 Is=Vs/Rs 可知，控制采樣電阻 R12 兩端電壓，就能控制輸出電流大小，且 R1、同向放大器 OPA2134A、LM2576-ADJ 構(gòu)成反饋電路，OPA2134A 的反饋端口第二引腳和第一引腳分別和可編程數(shù)字電位器 TPL0501 的第一引腳和第二引腳相連，TPL0501 相當(dāng)于同相

22、放大器的反饋電阻，R12 阻值為 0.05 的貼片電阻。（2）INA168 是專用的電流檢測(cè)芯片，供電電壓 5V，具有電流檢測(cè)范圍廣、測(cè)量精準(zhǔn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用 INA168 檢測(cè)充電電流，電流由 AD1 反饋到STC12C5A60S2 第三引腳，即 P12 端口，利用單片機(jī)自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并與 PI 算法編程進(jìn)行比較，單片機(jī)自動(dòng)調(diào)整編程控制數(shù)字電位器 TPL0501，改變接入安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）7電路反饋?zhàn)柚担瑢?shí)現(xiàn)充電電流動(dòng)態(tài)平衡輸出，對(duì)應(yīng)電流顯示在 LCD1602 上，電路如圖3-4 所示：圖圖 3-4 動(dòng)態(tài)電流電路動(dòng)態(tài)電流電路3.43.4

23、 控制電路和顯示電路設(shè)計(jì)控制電路和顯示電路設(shè)計(jì)3.4.1 控制電路設(shè)計(jì)（1）主控模塊STC12C5A60S2 是宏晶科技生產(chǎn)的 51 增強(qiáng)系列單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)干擾、自帶 10 位 AD 轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)2。指令代碼與 51 系列完全兼容，但處理速度比 51快 10 倍，第 18 和 19 引腳接晶振振蕩電路，第 9 引腳接復(fù)位電路，該單片機(jī)內(nèi)部自帶復(fù)位電路，但為了方便使用，外接復(fù)位電路，第 20 和 40 腳分別接電源地和 VCC，引腳如圖 3-5 所示：圖圖 3-5 STC12C5A60S2 引腳引腳安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）8（2）STC12C5A60S2 復(fù)位電路

24、STC12C5A60S2 復(fù)位電路由電容 C3，電阻 R1 和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成，復(fù)位條件為第 9腳保持高電平時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期，rest 持續(xù)大于 2us 高電平即可，電路中 RC 常數(shù)為 10K10uf=10ms，滿足復(fù)位條件，電容 C3 選擇 10 uF/20 V 的電解電容，電阻 R1選擇 10K，電路如圖 3-6 所示：圖圖 3-6 復(fù)位電路復(fù)位電路（3）石英晶體振蕩電路STC12C5A60S2 工作頻率為 11.0592MHZ，理論上震蕩頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度越快，對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求也就越高。STC12C5A60S2 性能好壞，與 CPU 運(yùn)算速度和存儲(chǔ)器有關(guān)，選用 612MHZ

25、 并聯(lián)諧振電路對(duì)電容值沒(méi)有嚴(yán)格要求，但會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定、振蕩器頻率高低、起振快速度等，晶振 XTAL 選擇 12MHZ 石英晶體，C1 和 C2選擇 30pf 陶瓷電容，電路如圖 3-7 所示：圖圖 3-7 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路3.4.2 顯示電路設(shè)計(jì)LCD1602 為字符型液晶顯示模塊，常用 16*1、16*2、20*2 等類型，本設(shè)計(jì)選用16*1，供電為 5V 的液晶顯示器?？刂频?5 引腳電平狀態(tài)，可以對(duì)芯片進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎?3 引腳接入電位器，對(duì)背光進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)只對(duì)芯片進(jìn)行寫(xiě)操作，第 5 引腳接安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）9地，即拉低此引腳電平，第

26、3 引腳接入 10K 多圈可調(diào)電位器 RW，D0 至 D7 為數(shù)據(jù)和命令傳輸端口。電路設(shè)計(jì)如圖 3-8 所示：圖圖 3-8 LCD1602 液晶顯示電路液晶顯示電路3.53.5 充電方式選擇電路設(shè)計(jì)充電方式選擇電路設(shè)計(jì)由于鋰離子充電方式的多樣性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可根據(jù)拔碼開(kāi)關(guān)位置對(duì)應(yīng)電池種類，確定電池充滿電的電壓值，如果電池電壓已經(jīng)達(dá)到充滿電的電壓值，則使系統(tǒng)處于關(guān)斷狀態(tài)，液晶屏右上角顯示“finish” ，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)的提示音；如果沒(méi)有達(dá)到充滿電的電壓值，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)相應(yīng)的脈寬調(diào)制電壓并通過(guò)光耦來(lái)控制 MOS 管的導(dǎo)通脈寬，將充電電流控制在合適的范圍，并在右上角顯示“charag*%”提示電

27、池的充電程度；過(guò)流、過(guò)充和過(guò)溫情況時(shí)則關(guān)閉 PWM 信號(hào)，同時(shí)蜂器發(fā)出連續(xù)的報(bào)警音，液晶屏上顯示錯(cuò)誤提示“E”,表一為對(duì)應(yīng)的拔碼開(kāi)關(guān)所對(duì)應(yīng)的不同鋰離子電池組的充電電壓，圖 3-9 為撥碼開(kāi)關(guān)位置示意圖：表一表一 不同電池組充電數(shù)據(jù)表不同電池組充電數(shù)據(jù)表拔碼開(kāi)關(guān)位置電池類型最低充電電壓最高充電電壓14.2v 單體2.85v4.3v2 2 節(jié)串聯(lián)電池組 5.7v5.6v3 3 節(jié)串聯(lián)電池組 8v 7.9v4 4 節(jié)串聯(lián)電池組 11v 10.9v安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）10圖圖 3-9 撥碼開(kāi)關(guān)位置示意撥碼開(kāi)關(guān)位置示意當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電池滿足最低充電電壓時(shí)，對(duì)相應(yīng)電池充電并調(diào)整電流，電

28、池充滿電時(shí)，切斷電路保護(hù)電池，相應(yīng)電池達(dá)不到最低充電電壓時(shí)，視為電池報(bào)廢或者不可充電，充電方式選擇電路如圖 3-10 所示： 圖圖 3-10 充電方式選擇電路充電方式選擇電路3.63.6 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.6.1 充電過(guò)溫保護(hù)設(shè)計(jì)鋰離子電池充電過(guò)程中，由于自身存在內(nèi)阻，部分能量變?yōu)闊釗p耗，導(dǎo)致電池溫度升高，若不采取保護(hù)措施，會(huì)損壞電池。過(guò)溫電路由 DS18B20 組成，該溫度傳感器具有占用資源少、采用單線通信、誤差較小等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20 接收數(shù)據(jù)時(shí)，I/O 為高電阻輸入，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) I/O 為高漏輸出，故需接入上拉電阻，上拉電阻 R3 的阻值為 4.7K，數(shù)據(jù)端口和單片機(jī)

29、控制端口連接，電路如圖 3-11 所示：?jiǎn)误w電池2 節(jié)電池組3 節(jié)電池組組4 節(jié)電池組安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11圖圖 3-11 DS18B20 傳感器電路傳感器電路鋰離子電池溫度超過(guò) 45，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，Q2 在電路中具有電流放大作用，基級(jí)電阻 R4 和 R5 為 1K，Q2 的放大倍數(shù) 為 120，放大電流值足夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，單片機(jī) P10 端口電平發(fā)生跳變，輸出低點(diǎn)平，驅(qū)動(dòng)三極管 Q1 工作，LM2576-ADJ 控制端口 ON/OF 從低電平拉高，關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，電路如圖 3-12 所示：圖圖 3-12 過(guò)溫保護(hù)電路過(guò)溫保護(hù)電路3.6.2 充電過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)LM

30、339N 和 74LS04 以及 1N4738 組成過(guò)壓保護(hù)電路。 LM399N 同相端電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電路產(chǎn)生控制信號(hào)傳送到或門電路，或門電路輸出脈沖信號(hào)，送至控制電路輸入端，控制電路由三極管組成共射極開(kāi)關(guān)電路，發(fā)生電平的跳變，完成對(duì)LM2576-ADJ 開(kāi)通和關(guān)斷控制，電路如圖 3-13 所示：圖圖 3-13 過(guò)壓保護(hù)電路過(guò)壓保護(hù)電路安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）123.6.3 放電保護(hù)設(shè)計(jì)鋰離子放電不是無(wú)限的，當(dāng)放電低于極限電壓值時(shí)，若繼續(xù)放電就會(huì)損壞電池，系統(tǒng)設(shè)計(jì)放電保護(hù)功能，當(dāng)電池放電過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷負(fù)載，不在輸出電流，從而保護(hù)電池。LSP 鋰電池監(jiān)測(cè)模塊，是常用的

31、電池放電管理模塊，該模塊使用 OVC 安時(shí)積分法，安時(shí)積分法計(jì)算鋰電池容量非常準(zhǔn)確，同時(shí) LSP 鋰電池監(jiān)測(cè)模塊還能顯示電流、電壓、電池溫度，為鋰離子使用提供了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，時(shí)時(shí)反應(yīng)鋰電池的放電狀態(tài)，圖 3-12 為外形圖，圖 3-14 為 LSP 鋰電池管理模塊接線圖：圖圖 3-14 LSP 鋰電池管理模塊鋰電池管理模塊圖圖 3-15 LSP 鋰電池管理模塊接線鋰電池管理模塊接線安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）134 4 軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.14.1 軟件設(shè)計(jì)流程軟件設(shè)計(jì)流程程序編寫(xiě)須具有簡(jiǎn)潔、直觀、可讀性強(qiáng)、代碼執(zhí)行效益高等特點(diǎn)，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為主函數(shù)和其他子函數(shù)

32、，子函數(shù)又分為 PI 算法控制程序、LCD1602 液晶顯示函數(shù)、蜂鳴器報(bào)警函數(shù)、DS18B20 溫度傳感器函數(shù)。在主函數(shù)中調(diào)用對(duì)應(yīng)的子函數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，更方便程序模塊化調(diào)試和代碼書(shū)寫(xiě)，程序總流程如圖 4-1 所示：圖圖 4-1 程序總流程程序總流程安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）144.24.2 PIPI 控制原理和控制原理和 PIPI 函數(shù)函數(shù) 4.2.1 PI 控制原理工業(yè)設(shè)計(jì)中，PI 算法常被使用，特別是反饋電路中， PI 控制包括比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)：按照比例變化反應(yīng)系統(tǒng)偏差，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，通過(guò)比例調(diào)節(jié)，補(bǔ)償系統(tǒng)偏差3。積分調(diào)節(jié)：按照積分變化反應(yīng)系統(tǒng)偏差

33、，積分調(diào)節(jié)由 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器組成，PID 算法形式結(jié)構(gòu)如圖 4-2 所示。圖圖 4-2 PID 算法形式結(jié)構(gòu)算法形式結(jié)構(gòu)通過(guò) PI 控制比例算法，使控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為 0 和系統(tǒng)過(guò)程值等于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤差4。當(dāng)期望值有一個(gè)變化時(shí)，系統(tǒng)過(guò)程值將產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例放大系數(shù)的加大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定5，響應(yīng)曲線圖如圖 4-3 所示：圖圖 4-3 比例比例(P)控制階躍響應(yīng)曲線控制階躍響應(yīng)曲線積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成積分成正比關(guān)系，為了減小穩(wěn)態(tài)誤安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)

34、論文（設(shè)計(jì)）15差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)的誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)會(huì)增大6。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減少，直到等于零7。積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨(dú)用積分(I)的話，由于積分輸出隨時(shí)間積累而逐漸增大，故調(diào)節(jié)動(dòng)作緩慢，這樣會(huì)造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕下降7，響應(yīng)曲線圖如圖 4-4 所示：圖圖 4-4 積分積分(I)控制和比例積分控制和比例積分(PI)控制階躍相應(yīng)曲線控制階躍相應(yīng)曲線為了確定過(guò)程的臨界周期 Pc 和臨界增益 K

35、c，控制器會(huì)臨時(shí)使它的 PI 算法失效，取而代之的是一個(gè) ON/OFF 的繼電器來(lái)讓過(guò)程變?yōu)檎袷?。這兩個(gè)參數(shù)很好的將過(guò)程行為進(jìn)行了量化以決定 PID 控制器應(yīng)該如何調(diào)整來(lái)得到理想的閉合回路性能9。4.2.2 PI 控制函數(shù)由 STC12C5A60S2 組成的數(shù)字控制系統(tǒng)控制中，單片機(jī)通過(guò) PI 算法，把控制量反饋回控制源，PI 控制函數(shù)如下10：ypedef struct PI double SetPoint; / 定義一個(gè)雙精度的變量 Desired value double Proportion; / 比例常數(shù) Proportional Const 變量double Integral;/

36、 積分常數(shù) Integral Const 變量double LastError;/ Error-1 double PrevError; / Error-2 double SumError; / Sums of Errors 安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16double PICalc( PI *pp, double NextPoint ) /PI 計(jì)算函數(shù) double dError, Error; Error = pp-SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp-SumError += Error; / 積分 pp-PrevError = pp-LastError

37、; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例項(xiàng) + pp-Integral * pp-SumError / 積分項(xiàng) void PIInit (PI *pp) /PI 參數(shù)初始化函數(shù) memset ( pp,0,sizeof(PI); 安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）175 5 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試5.15.1 主要測(cè)試儀器儀表主要測(cè)試儀器儀表表二表二 測(cè)試儀器、儀表測(cè)試儀器、儀表5.25.2 測(cè)試方法測(cè)試方法 使用可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬(wàn)用表、滑動(dòng)變阻器、示波器等進(jìn)行調(diào)試。改變滑動(dòng)變阻器阻值，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量輸出電

38、壓，毫伏表測(cè)電流，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和計(jì)算，得出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電源工作效益。當(dāng)電池飽滿時(shí)，接上負(fù)載（可變電阻器） ，監(jiān)測(cè)電路當(dāng)前流過(guò)電池的電流、以及當(dāng)前電壓、保守估計(jì)電池可放電時(shí)間、當(dāng)放電到達(dá)設(shè)定的放電最低截止電壓以及電流過(guò)載時(shí)，電路自動(dòng)保護(hù)，切斷對(duì)負(fù)載供電，從而保護(hù)鋰電池，測(cè)試數(shù)據(jù)表格如表三和表四所示,表四為 BUCK 電路單獨(dú)測(cè)試時(shí)的效益，即斷開(kāi)負(fù)載時(shí)候的 BUCK 電路變換效益。表三表三 參數(shù)記錄及測(cè)試數(shù)據(jù)參數(shù)記錄及測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)際電壓顯示電壓實(shí)際電流顯示電流輸入電壓總電流效率有用效率2V2.1V1A1.1A8V1.5A68%65%2.3V2.6V1.1A1.2A9V1.6V72%71%2

39、.5V2.7V1.2A1.4A10V1.7A78%74%3V3.6V1.3A1.6A11V1.8A80%76%4V3.7V1.5A1.7A12V0.9A81%78%儀器型號(hào)精度廠商滑動(dòng)變阻器Bx7-140.05%上海電器廠示波器UTD2102CEL 3%學(xué)生電源SS1710+0.1%數(shù)字萬(wàn)用表FLUKE17dB美國(guó) 毫安表1N470 上海電器廠 安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）18表四表四 BUCK 電路輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)電路輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流輸出功率效益36V0.6A 5V4A20W92.6%36V1.4A12V4A48W95.2%36V1.6A18V3A54W93.7%36V2.1A24V3A72W95.2%5.35.3 測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試結(jié)果分析 測(cè)試數(shù)據(jù)表明，利用 PI 算法，動(dòng)態(tài)電流保持在 1A 左右，充電效益比傳統(tǒng)的充電方式提高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，BUCK 電路效益明顯也高于普通的可控硅 BUCK 電路。安順學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）196 6 結(jié)論結(jié)論本文圍繞鋰離子電池組充放電動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了鋰離子電池組的充電原理與充電方法、充電模塊的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。