电池充放电安全保护电路的实验研究

河北工业大学硕士学位论文动力锂离子电池充放电安全保护电路的实验研究姓名：刘岩申请学位级别：硕士专业：精密仪器及机械指导教师：张思祥20081201河北工业大学硕士学位论文i动力锂离子电池充放电安全保护电路的实验研究摘要锂离子电池能量密度高,难以确保电池的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,降低可充电次数。因此锂电池的过度充电、过度放电及过电流保护很重要,所以通常都会设计保护电路,用以保护锂电池。本文详细介绍了采用LPC768单片机为控制核心、恒流-恒压充电模式的锂离子电池充电保护电路的硬件、软件设计。利用LPC768单片机强大的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，实现了对锂离子电池充电状态的监测和对锂电池过度充电及过电流的保护功能。应用光耦、运算放大器等电器元件对电池组中的每一节锂电池进行实时监测，防止其过度放电。利用逻辑运算方法和触发器功能实现了对整个锂离子电池组过放电断开保护的控制，较好地对锂离子电池组放电过程进行了监测和保护。本文的创新点是并联充电、串联放电的动力锂离子电池充放电方式；关键技术是对每一节锂离子电池充放电过程进行实时监测，保证电池组充放电过程的安全性。本研究主要完成的工作如下：1.对充电模式和充电方案进行了多种分析设计，昀终选择了恒流恒压的充电模式、并联充电的充电方案，保证了充电过程的均衡性。2.选用了LPC768单片机做为充电器的核心控制单元，通过CD4067多路模拟开关实现了对十路锂离子电池的充电状态的实时监测，保证了充电过程的安全性。3.利用LabVIEW程序进行数据解析，不仅可以得出每一节电池的充电状况，而且可以验证充电器是否正常工作，发现充电器故障的原因，增强了充电保护电路的实时监测能力，即充电的可靠性。4.对放电保护电路的设计上，在原始方案的基础上进行了优化设计，使锂离子电池组在放电时出现过放电、过电流、过温度等异常现象时，保护电路能够及时切断放电回路，并且防止了因锂离子电池电压回升而导致的自激振荡。关键字：锂电池，并联充电，串联放电，保护电路，过程监测动力锂离子电池充放电安全保护电路的实验研究iiEXPERIMENTALRESEARCHOFPOWERFULLITHIUM-IONBATTERYCHARGINGANDDISCHARGINGSECURITYPROTECTIVECIRCUITABSTRACTLithium-ionbatteriesaredifficulttomakesuretheirsecurityduetoitshighenergydensity.Inthestateofovercharge,batteries’temperaturewillriseandenergywillsuperabound,soelectrolytedecomposesandthatbringsgaswhichiseasytomakeinsidepressureriseasaresultthatthedangerslikeself-ignitionandburstcouldtakeplace.Contrarily,inthestateofoverdischarge,batteriescapabilityandendurancewillgotothebadbecauseofelectrolytedecomposingleadingrechargetimesdecrease.Consequently,itisimportanttopreventlithium-ionbatteriesfromovercharging,overdischargingandovercurrent，soprotectivecircuitisusuallydesignedtomakesurethebatteriesbesafe.Thispaperdealsmainlywiththehardwareandsoftwaredesignofthechargingprotectivecircuitforlithium-ionbatteries,whosecontrolcenterisLPC768andchargingmodeisconstantcurrent-constantvoltage.BymakingfulluseofthepowerfuljudgmentandlogiccalculationofLPC768aswellastheflexiblesoftware,thispaperteststheworkingconditionofthelithiumbatteriesandrealizestheprotectionperformanceofoverchargingandovercurrent.Thepaperwatcheseverylithium-ionbatteryoftentimesusingelectricelementsasopticalcouplerandoperationalamplifierinordertopreventbatteriesfromoverdischarging.Bymakinguseofthebooleancalculationmethodandtrigger,itpreferablytestsandprotectstheprocessofoverdischargingandrealizesthecontrolofthewholelithium-ionbatteriesoverdischargingcuttingprotection.Theinnovationofthispaperisthecharginganddischargingwayofpowerfullithium-ionbatteriesthatischarginginparallelanddischarginginseries.Thekeytechniqueiswatchingeverylithiumbatterywhentheyarecharginganddischargingtomakesurethebatteriesbesafe.Thisresearchmainlyfinishestheworksasbelow：1.Thepaperanalyzedanddesignedmanychargingmodesandchargingschemes,thenchoseconstantcurrent-contantvoltagechargingmodeandcharginginparallelschemetoensuretheequipoiseofthechargingprocess.2.LPC768ischosenasthemaincontrollerofthecharger,itwatchesthechargingstateoftenlithium-ionbatterieseverywhenbyCD4067themulti-routewayanalogswitchtomakesurethesecurityofthechargingprocess.3.TheprogramLabVIEWisusedtomakedataresolvedandthatcannotonlygaineverybattery’schargingstate,butalsovalidatethechargerworknormallyornotandfindwhatcausesthecharger’smalfunction.Thisenhancesthewatchingandmeasuringabilityofthechargingprotectivecircuitnamelychargingdependability.4.Onthedesignofdischargingprotectivecircuit,optimizeddesigningprotectivecircuitismadeonthebasisoforiginalschemewhichcanswitchoffdischargingcircuitwhenabnormalconditionslikeoverdischarge,overcurrentandovertemperaturetakeplaceat河北工业大学硕士学位论文iiithetimeofdischargingandavoidself-oscillationthatisarosedbyLi-ionbattery’svoltagerisingagain.KEYWORDS:lithium-ionbatteries,charginginparallel,discharginginseries,protectivecircuit，processmonitoring原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题提出背景锂电池昀早出现于1958年[1]，20世纪70年代进入实用化。20世纪80年代趋向研究锂离子电池，以后日益发展。随着科技进步与社会发展,像手机、笔记本电脑、MP3播放器、PDA、掌上游戏机、数码摄像机等便携式设备已越来越普及，这类产品常常采用二次电池进行供电。市面上广泛使用的便捷式二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、二次碱锰电池及锂电池，其中锂电池包括锂离子电池和锂聚合物电池。而可充电锂电池是目前便携式电子设备中应用昀广泛的电池，其以体积小、容量大、质量轻、无记忆效应、无污染、电池循环充放电次数多(寿命长)等优点,受到大家的青睐[2]。不过锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，使用它时必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化，对电池造成不可恢复的毁坏。因此锂电池对充电放电保护电路要求很高，还要有相应的保护元器件或保护电路来保证电池安全、可靠、迅速地充放电。目前我国动力电池充电器企业众多，但技术水平、质量水平参差不齐，而且核心技术多数掌握在国外半导体厂商。随着集成电路的不断发展及二次电池市场的不断增大,研究如何延长二次电池的寿命，并设计、生产出高质量、高效率、符合使用要求的充放电保护电路，有着十分重要的意义。§1-2锂电池的发展前景锂电池产业作为一个朝阳产业，拥有着广阔的市场前景。当今全球电子信息产业中，移动通信、手提电脑、数码相机已经成为发展昀快的三个行业[3]。移动方面，2006年底全球手机销量为9.7亿，全球手机拥有量达到25亿；其中，中国2006年手机销量就突破1亿，达到1.09亿部，手机拥有量达4.3亿，而且随着3G的发放，手机市场将维持一个高水平增长趋势。笔记本电脑方面，2006年国内笔记本销量超过了320万台，全球销量达到8240万台，预计到2010年笔记本销量会超过台式电脑，成为市场主体。数码相机方面，2002年底中国数码相机用户约为250万