鋰電池具有體積小、比能量大、壽命長(zhǎng)、放電性能好等特點(diǎn)。短短幾年時(shí)間里，已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、便攜式DVD及VCD等設(shè)備上，并且隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，還有進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢(shì)。鋰電池具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的制造成本卻相對(duì)低廉，因此是未來(lái)  有前途的便攜性電池。

對(duì)于便攜性電池，人們希望在獲得大容量電能的同時(shí)，能夠盡量減輕系統(tǒng)的重量，增加電池的效率和壽命。另外由于便攜式設(shè)備的散熱條件一般比較差，所以對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的效率也提出了較高的要求。

開(kāi)關(guān)電源  的特點(diǎn)是效率高。利用開(kāi)關(guān)電源，可以很有效的減少大容量電池充電系統(tǒng)的功率損耗，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱量。本文詳細(xì)分析設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)關(guān)模式電源的鋰離子／鋰聚合物智能管理系統(tǒng)。

1智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文中，我們使用目前應(yīng)用  為廣泛的恒流恒壓充電方式，通過(guò)使用開(kāi)關(guān)模式的電源來(lái)提供電池充電所需要的電壓和電流，并且應(yīng)用單片機(jī)和一系列周邊電路來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電的控制和對(duì)電池的保護(hù)功能。

利用單片機(jī)和開(kāi)關(guān)電源相結(jié)合，我們就可以構(gòu)造出一個(gè)智能化的鋰離子／鋰聚合物電池智能管理系統(tǒng)：開(kāi)關(guān)電源主功率回路負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化成電池充電所需要的形式，同時(shí)應(yīng)盡量提高效率，減小電壓電流紋波；單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括充電機(jī)參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來(lái)智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的一系列保護(hù)功能。

整個(gè)智能管理系統(tǒng)分為兩大部分：充電機(jī)和電池組。充電機(jī)主要包括了主功率回路和一部分的電源控制電路；而電池組部分則包括電池、檢測(cè)電路和單片機(jī)控制電路。這兩部分通過(guò)接口互相連接，能量從充電機(jī)傳往電池組，而控制信號(hào)一部分控制電池組的充放電回路的開(kāi)通與關(guān)斷，另一部分則從電池組發(fā)送到充電機(jī)，控制充電機(jī)的啟動(dòng)關(guān)閉和輸出恒壓恒流值。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的框圖。

基于開(kāi)關(guān)模式電源實(shí)現(xiàn)智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1充電機(jī)部分中，功率回路即為開(kāi)關(guān)電源，它負(fù)責(zé)給電池進(jìn)行充電，電源控制芯片接受從單片機(jī)傳來(lái)的恒壓恒流參考等控制信號(hào)，結(jié)合功率回路輸出的電壓電流反饋，實(shí)現(xiàn)電路在不同要求下的正確輸出。電池組部分中，單片機(jī)通過(guò)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)等電路，實(shí)時(shí)地了解電池所處的狀態(tài)，確定電池是否需要充電，充電方式為恒流還是恒壓，何時(shí)應(yīng)該結(jié)束充電過(guò)程，電池是否有過(guò)溫現(xiàn)象的發(fā)生等等。另外，單片機(jī)還必須檢測(cè)異常情況下，電池的過(guò)壓、過(guò)流以及溫度過(guò)高等現(xiàn)象，及時(shí)采取保護(hù)措施，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)及顯示報(bào)警原因。外部控制可以預(yù)置恒壓恒流參考值，也可以對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行人工干預(yù)。

2電路設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)包括充電機(jī)和電池組兩大部分。

1）充電機(jī)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)工頻輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流恒壓輸出的AC／DC開(kāi)關(guān)電源。充電機(jī)的具體指標(biāo)要求如下：輸入電壓：130～265Vac；輸出電壓Uo變化范圍：0～30Vdc；輸出恒流Io變化范圍：0～10A；輸出電壓紋波△Uppm：根據(jù)上述的充電機(jī)指標(biāo)，開(kāi)關(guān)電源的  輸出功率達(dá)到了POMAX=UOMAX·IOMAX=30V×10A=300W，假設(shè)電路效率η=80％，  輸入功率為

由于功率較大，我們采用PFC+DC／DC的兩級(jí)模式，以增大電源功率因數(shù)，減小對(duì)電網(wǎng)的不良影響。

PFC部分采用應(yīng)用  為普遍的Boost電路結(jié)合CCM平均電流模式來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC效果。Boost，PFC的基本電路和波形如圖2和圖3所示：

由圖可見(jiàn)，電感電流的平均值基本跟隨正弦輸入電壓變化，從而使整個(gè)電路具有良好的PF效果，較小的THD含量，減小了變流器對(duì)電網(wǎng)的不良影響。

由于電路的  輸出功率POMAX=300W，DC／DC部分的設(shè)計(jì)選擇功率容量較大、控制相對(duì)簡(jiǎn)單的雙管正激拓?fù)洌▓D4）。該拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)二極管來(lái)復(fù)位激磁電流，同時(shí)兩個(gè)MOSFET兩端的電壓也被箝位在輸入電壓，因此我們可以選擇耐壓相對(duì)較低，導(dǎo)通電阻相對(duì)較小的開(kāi)關(guān)管，有效的降低了電路的導(dǎo)通損耗。但是由于激磁電流必須在新開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始之前降為零，所以電路的占空比必須限制在0．5以下，從而使激磁能量在一個(gè)周期結(jié)束之前完全回饋到輸入端，避免了可能出現(xiàn)的變壓器偏磁甚至飽和現(xiàn)象。

2）控制電路設(shè)計(jì)

充電機(jī)部分的控制電路主要包括負(fù)責(zé)給充電機(jī)部分控制電路供電的輔助電源部分和主功率電路的電源控制芯片部分（包括PFC和DC／DC兩部分的控制），除了恒流參考信號(hào)、恒壓參考信號(hào)和電路保護(hù)信號(hào)由電池組部分的單片機(jī)發(fā)到充電機(jī)控制電路外，其余部分的控制功能全部都由充電機(jī)的控制電路自主完成。

PFC電路功率因數(shù)校正主要是PFC電壓調(diào)節(jié)環(huán)和電流調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)，電壓調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)如圖5所示，電壓調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)不僅僅需要提供電路的穩(wěn)定性，而且必須衰減二次諧波對(duì)THD的影響。電壓調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)如圖6所示，與電壓調(diào)節(jié)環(huán)不同的是，電流調(diào)節(jié)環(huán)的帶寬必須足夠大，以使PFC電流能夠緊跟輸入電壓的變化。

DC／DC部分采用具有電流前饋環(huán)節(jié)的電流控制模式。電流控制模式由于電流環(huán)的前饋?zhàn)饔?，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)單極點(diǎn)的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)環(huán)就相對(duì)容易穩(wěn)定。充電器的恒流恒壓輸出都通過(guò)DC／DC的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以DC／DC部分的控制回路必須要有兩個(gè)并聯(lián)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：電流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)的參考值都由單片機(jī)提供，電路如圖7所示。

（2）單片機(jī)部分及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

在整個(gè)智能管理系統(tǒng)中，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制者，起著非常重要的作用。它必須能夠根據(jù)電壓、電流采樣，判斷電池目前所處的狀態(tài)；針對(duì)不同的狀態(tài)，決定允許哪些操作，禁止哪些操作，并通過(guò)液晶顯示告知用戶；在電池狀態(tài)不正常時(shí)，它應(yīng)該能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且通過(guò)報(bào)警手段提醒操作人員的注意。