動力磷酸鐵鋰電池充電電源的研制

1、動力磷酸鐵鋰電池充電電源的研制摘要： 基于 lpc936微控制器，采用高頻開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計了一款輸出電壓電流可調(diào)的智能充電電源，并根據(jù)磷酸鐵鋰電池充電過程的電化學(xué)特性，提出了改進型的磷酸鐵鋰電池恒壓恒流充電方法。實驗結(jié)果證明，該充電電源可按預(yù)置的給定充電曲線自動控制充電過程，充電過程電池溫升低。該充電電源具有體積小、免維護和高效節(jié)能等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；充電方法；lpc936；開關(guān)電源；增量式pi 由于鋰電池 1 具有電壓高、體積小、自放電小、無污染、無記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕和循環(huán)壽命高等優(yōu)點，鋰電池將在今后的動力電池市場上占有越來越大的市場份額。鋰電池中的磷酸鐵鋰電池在最近幾年逐漸成為動力

2、電池和備用電源的主要應(yīng)用電池。相比于其他動力電池，磷酸鐵鋰電池具有很大的優(yōu)勢，并且已經(jīng)得到了很廣的生產(chǎn)和應(yīng)用，就目前而言，其被認(rèn)為是未來電動車最理想的動力電池。因此，對磷酸鐵鋰電池充電特性研究，并基于此設(shè)計開發(fā)的磷酸鐵鋰電池充電電源具有很高的市場價值。1 磷酸鐵鋰電池充電方法電池充電是一個非常復(fù)雜的過程，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在其多變量、非線性時變和離散性。影響磷酸鐵鋰電池充電特性的因素很多，如活性物質(zhì)活度、電池初始荷電狀態(tài)、溫度、電池使用歷史、 電池極化現(xiàn)象和充電電流大小等。充電方法 2 的研究在電池研究領(lǐng)域占有很重要的地位。對于水溶液電解質(zhì)蓄電池，傳統(tǒng)的充電方法有：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流、

3、恒流限壓和恒流恒壓充電等，還有一些新型的充電方法，如分段充電、電壓間歇充電和正負(fù)脈沖充電等。目前，市面上的磷酸鐵鋰電池充電電源常規(guī)的充電方式有恒壓充電和恒流限壓充電兩種。恒壓充電要嚴(yán)格定義充電電壓，電壓過低會導(dǎo)致電池充不滿電，過高則會使得初期充電電流過大，初期充電電流不宜超過0.3 c （c為蓄電池的額定容量） 。恒流限壓充電，初期以恒定的電流充電，當(dāng)端電壓達到一定值時，改為恒壓充電，恒流階段電流過低，則會導(dǎo)致充電時間延長，時效低，電流過大，對于過放電的電池將會導(dǎo)致嚴(yán)重的損害。與水溶液電解質(zhì)電池不同的是，磷酸鐵鋰電池3 是以橄欖石結(jié)構(gòu)的lifepo4 作為正極，以碳材料作為負(fù)極，正負(fù)極之間用聚

4、合物隔膜隔開。磷酸鐵鋰電池充電放電化學(xué)過程如下。充電反應(yīng)：lifepo4-xli+-xe-xfepo4+ （ 1-x ）lifepo4 放電反應(yīng)：fepo4+xli+xe- xlifepo4+ （ 1-x ）fepo4 磷酸鐵鋰電池充電過程中，鋰離子li+ 從正極遷移到負(fù)極，實驗表明，對于單體電池，充電電壓上限值為3.65 v ，即鋰離子幾乎完全從lifepo4 脫出形成fepo4 。因為磷酸鐵鋰電池不具有水溶液電解質(zhì)蓄電池常有的過充保護機制，如果繼續(xù)充電，將會導(dǎo)致電池端電壓急劇上升，這樣會使得電池過充。一旦過充電，在正極由于鋰離子的過多脫出而發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)性變化，負(fù)極上可能會產(chǎn)生金屬鋰的表

5、面析出，而且可能會發(fā)生隔膜分解等副反應(yīng)，由此導(dǎo)致電池循環(huán)使用壽命的急劇減少。放電過程中，鋰離子從負(fù)極遷移到正極，放電電壓過低時，即鋰離子幾乎完全與fepo4結(jié)合形成lifepo4，電池供電能力極弱，當(dāng)電池電量很低時，不宜采用大電流充電，否則會導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)性變化從而減少電池循環(huán)使用壽命，并且對于磷酸鐵鋰電池，大電流充電極易導(dǎo)致電池電量不能充滿。靜置后滿電量磷酸鐵鋰單體電池標(biāo)稱電壓為3.2 v ?；诹姿徼F鋰電池的化學(xué)特性，本設(shè)計采用改進型的恒流恒壓式充電方法，對于磷酸鐵鋰單體電池，當(dāng)單體電池電壓小于2.5 v 時采用 0.8 a （0.1 c ）小電流涓流充電；當(dāng)電池電壓大于 2.5 v 時

6、采用 2.4 a （0.3 c ）電流恒流充電，充至給定電壓為3.65 v時轉(zhuǎn)入恒壓充電。此時，充電電流將不斷下降，當(dāng)下降到0.8 a （0.1 c ）時，停止充電，認(rèn)為充電完成。由于設(shè)計中的電池是由16 節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成， ，當(dāng)電池電壓小于40 v時采用 0.8 a電流涓流充電，大于40 v 進入恒流階段，采用2.4 a 電流充電，充至給定電壓為58.4 v 時轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)充電電流下降到0.8 a 時認(rèn)為充電完成，雖然磷酸鐵鋰電池自放電小，但仍然存在自放電現(xiàn)象，在充電結(jié)束之前，以0.8 a 電流定時充電10 min ，磷酸鐵鋰電池充電曲線。2 充電電源電路設(shè)計根據(jù)上述分析而設(shè)計的智能型

7、磷酸鐵鋰電池充電電源4 ，主要由以高頻開關(guān)電源5 為核心的功率部分和以單片機為核心的控制部分組成。充電電源總體結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路，輸出300 v 左右的直流電，再經(jīng)過半橋拓?fù)潆娐份敵龅闹绷麟娊o蓄電池充電，對輸出端的輸出電壓和輸出電流采樣，并經(jīng)過運放隔離后送至單片機a/d 轉(zhuǎn)換引腳，其中，負(fù)的電流采樣后經(jīng)過霍爾電流傳感器處理。根據(jù)蓄電池充電的不同階段，由單片機輸出兩路相位相差180的合適占空比的pwm ，兩路 pwm經(jīng)過隔離驅(qū)動電路后送至mosfet 管的柵極作為控制信號，控制輸出端的電壓和電流，并將充電的狀態(tài)實時顯示出來。2.1 輸入整流濾波電路本設(shè)計采用交流220 v 輸入，

8、經(jīng)過共模扼流圈和整流橋，輸出300 v 左右的直流電壓。具體電路設(shè)計，其中共模扼流圈l1 有效地降低了電源輸入部分的共模干擾。2.2 半橋變換器電路設(shè)計的半橋電路原理圖。300 v直流電壓經(jīng)過r3、r4 、c7、c8精準(zhǔn)分壓，其中r3=r4=51 k?贅，r1、r2確保開關(guān)管可靠關(guān)斷；d1、d2有效地抑制變壓器原邊開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓；串聯(lián)耦合電容c9防止偏磁現(xiàn)象的發(fā)生，經(jīng)計算，選擇2.2 ? 滋 f 電容。由于鐵氧體材料磁芯具有高電阻率、損耗小和溫度影響低等優(yōu)點，故采用鐵氧體作為變壓器 t1的磁芯材料， 選擇 etd44形狀磁芯作為變壓器磁芯，根據(jù)法拉第定律可知，得原邊最小線圈匝數(shù)的

9、計算式為：其中， np為初級線圈匝數(shù)，vp 為原邊線圈電壓，ton 為每周期導(dǎo)通時間，?駐 b為磁通密度增量， ae為磁芯最小面積。 最大導(dǎo)通時間為開關(guān)周期的80% ； 變壓器工作頻率為50 khz；為了保證變壓器能正常工作，取 ton 為最大導(dǎo)通時間8 ?滋 s； 允許電網(wǎng)電壓上下波動為20% ；將直流輸入電壓vdc 取最小值為220 v0.8 1.414=249 v；etd磁芯 ae 為 174 mm2 ；根據(jù)工程經(jīng)驗， ?駐 b取 0.4 t 。最小初級匝數(shù)np為：對應(yīng)的線徑為0.518 mm ，根據(jù)線徑對照表，并留一定的裕量，取線號為awg#23 ，線徑為0.574 mm。同理可知，變

10、壓器副邊繞組選取線號awg#20 ，線徑為0.813 mm。mosfet 管 q1和 q2選擇可承受500 v電壓和 20 a電流的 irfp460；輸出整流管選擇信號為 sc60sc3m 的肖特基二極管，其正向可承受電流為60 a ，反向耐壓為30 v 。3.3 隔離驅(qū)動電路圖 5 為隔離驅(qū)動電路。lpc936單片機輸出兩路相位相差180的 pwm 信號，為了防止開關(guān)電源部分對單片機pwm 干擾，設(shè)計中采用兩片6n137對 pwm 信號進行光耦隔離，隔離后的pwm 信號再送至ir2110 進行功率放大，以驅(qū)動功率管irfp460。d5和 c16構(gòu)成了自舉電路6 ，使得 q1有效工作，自舉法是

11、功率mosfet 管驅(qū)動簡單而有效的方法。高壓側(cè)自舉供電，整個電路只需要一個電源，簡化了電路，減少了成本。此電路的關(guān)鍵在于自舉電容和自舉二極管的選取。自舉二極管d5應(yīng)選擇高頻的快恢復(fù)二極管，本文選擇耐壓700 v 的 uf4007。經(jīng)計算和反復(fù)調(diào)試，自舉電容c16選擇 0.15 ? 滋 f。3.4 控制電路該系統(tǒng)的控制器采用lpc936單片機， 對充電過程進行控制，以單片機為核心的控制部分主要完成3 個功能：（1）對給定的電壓和電流進行采樣，實現(xiàn)a/d 轉(zhuǎn)換； （2）根據(jù)采樣的電壓和電流的大小，給出兩路占空比可變的pwm 信號； （3）對充電狀態(tài)進行顯示，包括紅綠指示燈顯示，充電電壓電流顯示。

12、設(shè)計中l(wèi)pc936單片機 28 個引腳的模式和功能如表1 所示。4 充電電源系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)磷酸鐵鋰電池的充電特性，將電池充電過程分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電和定時充電 4 個階段。軟件流程圖。為了使得輸出電壓和電流能動態(tài)跟蹤給定電壓電流曲線，本設(shè)計采用電壓、電流雙閉環(huán)pi 控制系統(tǒng)，由于增量式pi 有計算量小等優(yōu)點，故采用增量式pi 控制算法。兩個恒流充電過程中，調(diào)用電流pi 控制；恒壓充電過程中，調(diào)用電壓pi 控制。流程圖。5 實驗結(jié)果與分析實驗中以標(biāo)稱電壓為51.2 v的磷酸鐵鋰電池為充電對象，在鋰電池不同初始電量情況下進行多次充電實驗，實驗結(jié)果如表2 所示。實驗結(jié)果顯示，各充電階段能夠穩(wěn)定切換，電池充電過程總溫升較低，由于電池充電過程存在極化現(xiàn)象，充電結(jié)束后，電池靜置過程中，電壓緩慢下降，經(jīng)過10 h 靜置后的電池電量基本維持在51.2 v 左右。實驗結(jié)果表明，4 階段的充電方式、充電電源硬件電路和軟件的設(shè)計合理，另外，該充電系統(tǒng)具有很強的可移植性，對于不同種類的蓄電池以及不同的給定充電方式，只需稍加改動，便可滿足充電需求。最后， 為了進一步驗證和直觀地