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【摘要】鋰離子電池充電及放電的特性決定了鋰離子電池對保護電路的要求非常嚴格,常用的鋰離子電池保護IC大多針對四串以下的電池包的設計,但實際使用中常常要求更大的電壓和容量。本文設計了一種基于CPLD的鋰離子電池保護電路,包括過充過放,過流,短路保護以及溫度的監測和實時控制，并帶有顯示報警單元。整個電路很容易實現對四串以上的電池組的充放電保護控制，達到更大的電壓和容量要求。參數控制部分由軟件編程實現，易于變更，適用范圍更加廣泛。

【關鍵詞】CPLD；保護電路；鋰離子電池

前言

鋰離子電池出現在二十世紀九十年代初期，與鎳鎘、鎳氫電池相比,它的比能量高,電壓高,無記憶效應,自放電率非常低（每月2-5％），工作溫度范圍寬，充放電壽命長,這些獨特的性能,使它在短短十幾年的時間里,得到了空前的發展,在各個領域的應用也越來越廣泛。鋰離子電池雖然比傳統的電池性能好很多，但它對監測保護系統的要求也比傳統電池的要求高，否則，將會對鋰離子電池本身的造成損壞，及其它的危險。本文采用基于CPLD為控制中心的保護電路,包括過充過放,過流,短路保護以及溫度的監測和實時控制，并帶有顯示報警單元。整個電路很容易實現對四串以上的電池組的充放電保護控制，達到更大的電壓和容量要求。參數控制部分由軟件編程實現，易于變更，適用范圍更加寬泛。

1問題的提出

鋰電池比較常用的充電方法是恒流恒壓（CC-CV）法充電[1]，充電過程如下：開始階段用恒流進行充電，充電電流小于0．8c，充電電壓基本達到4．2V（或4.1V），這個階段基本能達到總電量的80％；接下來是恒壓充電，在恒壓充電期間，充電電流漸漸減小，當電流減小到大概在0．05C時，此時電池充滿。電池在充電的過程中，一旦充電器電路出現問題，導致在恒流流電階段電池電壓超過4．2V（或4.1V）后仍然繼續恒流充電，電池電壓必然會持續增加，直至超過4．3V，此時電池內部將可能會有大量的氣體，這些氣體是電池化學副反應產生的。大量的氣體能使電池內部壓力迅速增大，導致電池發生爆炸[2]。鋰離子電池在使用的過程，也即對負載放電的過程，電池的電壓會逐漸下降，當電池容量放完時其電壓降至2．4V左右，如果電池繼續放電，電池電壓繼續降低會對電池造成永久性損壞。因此，當鋰離子電池在電壓2.4V-4.25V(該值因電池不同略有不同,本文假設過充點為4.25V,過放點為2.4V)時可以正常的充電或放電,當小于2.4V時應當關斷電池放電回路，禁止其對外繼續供電，當大于4.25V時也應該停止充電。此外由鋰離子電池的化學特性決定，電池放電電流超過2C電流放電時，電池也會出現安全問題。此時保護電路也應該關斷放電回路。

2保護電路設計及仿真

依據前面分析的鋰離子電池充放電特性，設計出的一種保護電路，原理框圖如圖1,整個電路以CPLD芯片為控制核心,采樣電路將從電池組采樣的電壓電流結果送到比較電路,CPLD芯片根據電流電壓比較電路和溫度測檢電路輸入的值控制2個MOSFET的開關，MOS管作為鋰離子電池組充電和放電電路的開關。電路正常情況下DE燈亮,過充過放及溫度出現異常時相應的DU,DI,DT會亮,蜂鳴器報警.圖2為電路圖。

2.1比較電路

圖3為電壓電流的比較電路,這個電路是個雙限比較器,電路的工作原理如下:當Ui大于URH時也一定大于URL,所以集成運放U1的輸出UO1=+UOM,U2的輸出UO2=-UOM•使得二極管D4導通,D5截止,穩壓管D1工作在穩壓狀態,輸出電壓UO=+UZ•當Ui小于URL時必然小于URH,所以集成運放U1的輸出UO1=-UOM,UO1=-UOM,U2的輸出UO2=+UOM•使得二極管D4截止,D5導通,穩壓管D1工作在穩壓狀態,輸出電壓UO=+Uz•當輸入電壓大于URL小于URH,U1,U2的輸出都等于-UOM,所以D4,D5均截止,輸出電壓UO=0。在本設計中分別調節U1的反相輸入端的電阻使輸入電壓為4.25V,用同樣的方法調節U2的同相輸入端到2.4V。當比較器輸入Ui大于4.25V或小于2.4V，電路輸出+Uz，區于兩值之間輸出0。

2.2溫度檢測電路

溫度監測電路如圖4所示.這是種恒溫器電路，它檢測鋰離子電池充放電電路中MOSFET周圍的溫度，如果超過75℃就輸出信號CT，控制充放電電路。圖示中RT是熱敏電阻，阻值為100，RT與R1串聯后接恒壓源(如:+12V)，RT中流經約1mA的電流。R1的電阻值遠遠大于RT，所以，RT熱敏電阻阻值變化，不會使測量電流產生大的變化，由此可得到近似恒流的線性輸出。當MOSFET周圍溫度低于75℃時，集成運放的同相輸入端電位低于反相輸入端，集成運放輸出高電平；當MOSFET周圍溫度超過75℃，則RT阻值增大到一定數值(0℃時為100)，集成運放的反相輸入端電位高于同相輸入端，集成運放輸出變為低電平，從而控制電路充放電的開關。

2.3過充電保護

充電時,為防止因電池內部化學反應產生的氣體及溫度所導致的內壓上升引起安問題,需停止充電。采樣電路檢測電池電壓,當超過4.25V時,比較器輸出CU為高電平,CPLD芯片控制Q1連接的I/O口輸出高電平,與DU連接的I/O口輸出高電平,蜂鳴器輸出高電平,充電截止,DU亮,蜂鳴器報警[3]。為避免因噪聲所產生的過度充電檢出誤動作,需要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪聲的持續時間。

2.4過放電保護

當鋰電池過放電時,電池內部電解液會分解，最終造成電池特性變壞,電池的充電次數也會降低。為了防止鋰電池的過度放電狀態,假設鋰電池接上負載,當采樣電路檢測到鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點2.4V時,比較器輸出CU為高電平,CPLD芯片控制Q2連接的I/O口輸出高電平,與DU連接的I/O口輸出高電平,蜂鳴器輸出高電平,放電停止,DU亮,蜂鳴器報警。考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測電路也應設有延遲時間以避免發生誤動作。

2.5過電流及短路保護

當放電電流過大或發生短路時,此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電。即比較電路輸出CI為高電平,CPLD芯片控制Q2截止,放電停止。過電流檢測也必須設有延遲時間以防有突發電流流入時發生誤動作。通常在過電流發生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負載脫離),將會恢復其正常狀態,可以再進行正常的充放電動作。

2.6軟件設計

每次充電放電均進行一次電壓電流溫度一個周期的查詢,實現對鋰離子電池的保護，程序設計流程如圖5所示[4]。

3總結

本文依據鋰離子電池特性，設計了一種基于CPLD芯片為控制核心的保護電路，外圍電路簡單，對大電壓大容量鋰電池組的控制也很容易做到。與單片機相比CPLD在芯片容量、工作速度、編程難度以及可以擦寫次數上遠優于單片機；因此由CPLD芯片控制的鋰離子電池保護電路與現在常用的單片機控制保護電路相比，能夠實現對更多電池串并聯的充放電實時監測控制，同時可以增加如動態均衡、容量預測、通訊、身份識別等功能。

【參考文獻】

［1］李紅梅，基于混合動力汽車用動力型鋰電池保護電路的研究，合肥工業大學：碩士學位論文2008

［3］李冬梅.PLD器件與EDA技術,北京廣播學院出版社,2000.01.

［4］李廣軍,孟憲元.可編程ASIC設計及應用,電子科技大學出版社,2000.10.

作者：李燕 單位：湖南鐵道職業技術學院