基于MCU的锂离子电池管理器设计

基于MCU的锂离子电池管理器设计

徐志英，许爱国，谢少军

(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

Design of Li-Ion Battery Manager based on MCU

XU Zhi-ying, XU Ai-guo, XIE Shao-jun

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, China)

锂离子电池具有体积小、重量轻、容量

constant current constant voltage (CC-CV) and need 高、使用寿命长、无污染、无记忆效应等优protection for over charge and over discharge, so the 点，在消费电子领域及其他场合得到了广泛chargers and protection circuits are stringent. To use 的应用。采用电池管理器对锂离子电池的充Li-Ion batteries safely and efficiently, a battery manager 放电进行有效管理，可以延长电池的使用寿based on Buck converter is designed in this paper. The 命。目前，锂离子电池充电器方案主要有采proposed manager uses MCU to control charging 用专用芯片控制构成[1]和采用单片机(MCU)process. In order to realize CC-CV charging mode, two 控制降压型(Buck)变换器[2]两种方案。专用芯digital PI regulators are employed in the programme. 片控制方案构成简单但功能单一，通常只能Otherwise, a protection chip is used to prevent over 对特定参数的锂离子电池进行充电。但是，charge, over discharge and so on. The safe charging 不同型号的便携式产品往往使用不同型号规mode and effective protection are achieved and verified 格的锂离子电池，如果采用专用芯片，就会by experimental results. 造成重复开发和资源浪费。而采用单片机控

制Buck电路则精度高，成本低，而且控制方

KEY WORDS: Battery manager, Buck converter,

法灵活，可方便地进行改进和升级，从而适

Li-ion battery, Microcontroller

用于不同型号的锂离子电池。

摘要：锂离子电池对充电器、保护电路的要求比较苛本文在介绍锂离子电池充放电特性的基刻，通常要求恒流恒压的充电方式，而且需要过充、础上，设计了一种安全高效的电池管理器。过放保护。为了使锂离子电池安全高效地使用，本文文中采用单片机控制Buck变换器，对电池进设计了一种基于Buck变换器的锂离子电池管理器。行充电控制，同时，增加外部电路在电池充该管理器采用单片机进行充电控制，通过在程序中运放电过程对电池进行保护，实现对锂离子电用两个数字PI调节器来实现恒流恒压方式。此外，池的有效管理。

ABSTRACT：Li-Ion batteries are often charged with 文中还用专用保护芯片对电池进行过充、过放等一系列保护。实验结果表明，该管理器不仅满足了锂离子电池的充电要求，并且实现了对电池的有效保护，达到了管理电池充放电过程的目的。

关键字：电池管理器，Buck电路，锂离子电池，单片机

2. 锂离子电池充放电特性

锂离子电池的正极材料为LiCoO2，负极

材料为石墨晶体，这两种材料都具有层状结构，允许锂离子进出。锂离子电池在充电时发生如下主要化学反应[3]： 正极： LiCoO2→xLi++Li1-xCoO2+xe- (1) 负极： xe-+xLi++6C→LixC6 (2)

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1. 引言

航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC’2007)论文集

以上反应均为可逆反应，电池在放电时发生逆反应。在一定的条件下，电池内部还会发生一些副反应，极端情况下这些副反应会导致电池电解质燃烧或爆炸。因此锂离子电池的安全性能一直都倍受人们的关注[3~8]。但是，目前关于锂离子电池中电解质燃烧或爆炸的过程认识还不很统一。可能造成电池着火、爆炸的反应主要有：1)Li+在正、负极嵌入后形成的Li1-xCoO2受热会放出氧气，而LixC6遇氧气就会燃烧，产生大量的热；2)在多次充放电后，石墨负极的表面往往会形成一层SEI膜，阻止电解液与石墨负极之间相互作用。但当温度升高时，SEI膜会发生分解反应，引起电解质与负极表面发生不可逆反应，导致不可逆容量形成并产生热量，使温度进一步上升；3)温度升高时，溶剂与电解质也会发生反应，放出热量。由此可见，锂离子电池的安全性能和电池容量与温度密切相关，当电池温度升高时，电池内部将发生一系列化学反应，导致不可逆容量形成并产生大量的热。如果电池内部反应产生的热量远远大于电池散热量，就会使电池温度达到着火点，引起电池燃烧或爆炸。正是由于锂离子电池的这些内部特性，使它的充放电速率都受到了限制，它无法像镍镉电池那样，在短时间内急速充电，也无法大电流放电，否则，锂离子电池的容量、寿命将会减少，甚至引发电池爆炸或燃烧。兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电方式。充电初期，先用1C恒定速率充电，电池电压逐渐上升。当单体电池电压上升到4.1V(或4.2V)时，充电器转入恒压充电方式，单体电池电压波动控制在50mV内，此时充电电流逐渐减小当电流下降至某一设定值时，即可认为电池充电满。图1为锂离子电池的充电特性曲线示意图。为了保证锂离子电池的放电容量通常要求它的最大放电速率为1C。

在使用锂离子电池时，电池的过充与过放也是一个值得注意的问题。锂离子电池过

充时，过量的Li+没有负极材料可供嵌入，那部分Li+就会在负极表面还原为金属锂析出，从而带来短路的危险，而且，引起正极活性物质结构发生不可逆变化和电解液分解，产生大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压增加，存在爆炸、燃烧等隐患。锂离子电池过放电时，负极及其表面的SEI膜中的Li+可能全部脱出，SEI膜被破坏。当电池再次充放电循环时，重新形成SEI膜稳定性和致密性可能变差，需要的Li+量较大，由此造成放电容量和充放电效率降低。因此，在锂离子电池充放电时，通常都要求单体电池电压不得高于4.5V或低于2.2V。

图1 锂离子电池充电特性曲线

3. 锂离子电池管理器方案设计

为了简化电池的充电要求，管理器与电池同置于电池包外壳内。充电时，可用AC适配器通过管理器的输入端口对电池充电，放电时，电池通过管理器输出端口放电。

下面以两节2000mAh锂离子电池为例设计一种Buck型电池管理器。其主要的接口参数有：输入电压：9V，恒流充电电流：2A±0.1A，充电截止电压：8.35V±0.05V，单体电池放电截止电压：2.3V。 3.1 主电路设计

管理器主要由功率电路、控制电路和保护电路三部分组成。电池管理器的主电路和控制框图如图2所示。L1、C1、D2、Q1等构成Buck电路。R1、R2串联后并于电池两端，提供采样电压。R3串于充电回路中，提供采

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样电流。Q2构成电池放电回路。控制电路由5V电源、MCU控制、Q1驱动电路组成。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20kHz。 3.1.1 电路的工作原理

当AC适配器接通电源时，Q2关断，电池不参与供电，输入电源通过D1向负载供电。同时5V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，5V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。 3.1.2 电路参数的设计原则和选取

当充电电流下降至C/10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L1的临界连续电流不高于C/10，即0.2A。另外，电池充电时，电池电压波动范围必须限制为-0.05V~+0.05V，即要求电容C1的峰峰值纹波电压低于0.1V。由此，可以计算出所需的电感L1和电容C1大小。

为了保证采样精度和减小电路损耗，选择R1=R2=150k。由于R3串于充电回路中，所

以R3必须尽量小，否则，会使得充电回路压降变大，损耗增大充电效率降低，且管理器的发热量大。这里选择R3=0.02欧。

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，会使运放工作在非线性区，导致采样错误，放大倍数太小，会增大采样数据的相对误差。 3.2 软件设计

3.2.1 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PI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。

图2 Buck型电池管理器主电路和控制框图

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图3 控制算法框图

3.2.2 充电过程控制

电池的充电过程大致分为四个阶段：预充电、快速充电、补足充电和涓流充电。

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设定的阀值后进入快充阶段。

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1C恒定电流充电，直至单节电

池电压上升到4.1V(或4.2V)。此时，电池应转入补足充电阶段。

补足充电阶段采用的是恒压充电方式。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 主程序流程框图

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3.3 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。在放电的过程中，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，但是这就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。文中采用锂离子电池专用保护芯片S-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。

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体电池电压和放电电流进行监控，防止了单体电池过充和过放并限制了电池放电速率，保证了锂离子电池充放电过程的安全高效，有利于延长锂离子电池的使用寿命。

图5 充电过程中电池电压、电流变化曲线

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4. 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个小时。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6V。然后充电电流迅速升至2A并稳定在2A左右，此时，电池电压不断上升，当电池电压升至8.35V时，充电电流开始减小，但电池电压始终稳定在8.34V～8.37V之间。当充电流降至0.2A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。

5. 结论

本文在介绍锂离子电池充放电特性的基

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