基于開關(guān)模式電源實現(xiàn)智能管理系統(tǒng)的設(shè)計

鋰電池具有體積小、比能量大、壽命長、放電性能好的特點。短短幾年時間，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機、便攜式DVD、vcd，并且隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，有進一步優(yōu)化的趨勢。鋰電池有這么多優(yōu)點，制造成本相對較低，是未來最有前途的便攜式電池。
對于便攜式電池，希望在獲得大容量電能的同時，盡可能減輕系統(tǒng)重量，提高電池的效率和壽命。此外，由于便攜式設(shè)備的散熱條件普遍較差，所以對整個電源系統(tǒng)的效率也有要求。
開關(guān)電源最大的特點就是效率高。使用開關(guān)電源可以有效降低大容量電池充電系統(tǒng)的功率損耗，從而大大降低整個系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文對基于開關(guān)電源的鋰離子/鋰聚合物智能管理系統(tǒng)進行了詳細(xì)的分析和設(shè)計。
1智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本文采用目前應(yīng)用最廣泛的恒流恒壓充電方式，利用開關(guān)電源提供電池充電所需的電壓和電流，并利用單片機和一系列外圍電路實現(xiàn)充放電控制和電池保護功能。
單片機與開關(guān)電源相結(jié)合，可以構(gòu)建鋰離子/鋰聚合物電池智能管理系統(tǒng)：開關(guān)電源的主電源回路負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為電池充電所需的形式，同時要盡量提高效率，降低電壓和電流紋波；單片機負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的運行，包括設(shè)置充電器的參考電壓和電流值，充電結(jié)束或處于保護狀態(tài)時關(guān)閉充電器，智能監(jiān)控電池的充電狀態(tài)，根據(jù)電池電壓、充電電流和溫度等各種參數(shù)實現(xiàn)對電池的一系列保護功能。
整個智能管理系統(tǒng)分為充電器和電池組兩部分。充電器主要包括主電源回路和部分電源控制電路。電池組部分包括電池、檢測電路和單片機控制電路。這兩部分通過接口相互連接，能量從充電器傳輸?shù)诫姵亟M，一部分控制信號控制電池組充放電電路的開啟和閉合，另一部分從電池組發(fā)送到充電器，控制充電器的啟動和關(guān)閉，輸出恒壓恒流值。
電源回路是開關(guān)電源，負(fù)責(zé)給電池充電。功率控制芯片接收來自單片機的恒壓恒流基準(zhǔn)等控制信號，結(jié)合功率回路輸出的電壓和電流反饋，實現(xiàn)電路在不同要求下的正確輸出。在電池組部分，單片機通過電壓檢測、電流檢測和溫度檢測等電路實時了解電池的狀態(tài)，并確定電池是否需要充電，充電模式是恒流還是恒壓，充電過程何時結(jié)束，電池是否超溫等。此外，單片機還必須檢測異常情況下的電池過壓、過流和過溫，及時采取保護措施，并發(fā)出報警信號，顯示報警原因。外部控制器可以預(yù)設(shè)恒壓恒流，的參考值，也可以手動干預(yù)充電和放電過程。
2電路設(shè)計
電路設(shè)計包括充電器和電池組。
1)充電器的設(shè)計
本文設(shè)計了一種具有工頻輸入和恒流恒壓輸出的交流/DC開關(guān)電源。充電器的具體要求如下：輸入電壓：130 ~ 265 vac輸出電壓Uo變化范圍：0 ~ 30 VDC輸出恒流io變化范圍：0 ~ 10a輸出電壓紋波Uppm:根據(jù)上述充電器指標(biāo)，開關(guān)電源最大輸出功率達到pomax=uomax  iomax=30v 10a=300w，假設(shè)電路效率=80%，最大輸入功率為
由于功率較大，我們采用PFC  DC/DC兩級模式來提高電源的功率因數(shù)，降低不利影響
在PFC部分，采用應(yīng)用最廣泛的Boost電路結(jié)合CCM平均電流模式實現(xiàn)PFC效果。Boost電感電流平均值基本遵循正弦輸入電壓，使得整個電路具有良好的PF效應(yīng)和較小的THD含量，從而降低了變換器對電網(wǎng)的不利影響。
由于電路的最大輸出功率pomax為300w，DC/DC部分的設(shè)計選擇了大功率容量、控制相對簡單的雙晶體管正向拓?fù)?圖4)。在這種拓?fù)渲校褂脙蓚€二極管來復(fù)位激磁電流，兩個MOSFET兩端的電壓也箝位在輸入電壓，因此可以選擇耐壓相對較低、導(dǎo)通電阻相對較小的開關(guān)管，有效降低電路的導(dǎo)通損耗。然而，因為在新的開關(guān)周期開始之前激磁電流必須減小到零，所以電路的占空比必須限制在0.5以下，使得激磁能量可以在周期結(jié)束之前完全反饋到輸入端，從而避免可能的變壓器磁偏置甚至飽和。
2)控制電路設(shè)計
充電器部分的控制電路主要包括輔助電源部分，負(fù)責(zé)向充電器部分的控制電路和主電源電路的電源控制芯片部分(包括PFC和DC/DC控制)供電。除了恒流參考信號、恒壓參考信號和電路保護信號由電池組部分的單片機發(fā)送給充電器控制電路外，其他所有控制功能均由充電器控制電路獨立完成。