关健生

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门361024）

由于组成锂电池组的单体电池内部特性无法做到一致，人们在多次使用电池组后，单体电池的差异性就体现出来，如容量会减小。通常情况下锂电池组充电时采用串联充电的方式，这样就会存在电池组中容量最小的单体电池会最先达到最大电压4．2 V，而其余的单体电池则没有。此时电池组电荷容量也还未最大化，电池组总电压未饱和，继续充电则会导致容量较小的单体电池出现过度充电现象，锂电池化学成分会遭到破坏，减少使用寿命，有可能会出现爆炸现象。针对上述问题，本文设计了一款基于STC单片机的锂电池组智能平衡充电器，该充电器能够对锂聚合物电池组的充电、断电和报警进行控制，具有智能化、操作方便等特点。

1 设计思路

本系统主要包括电源模块、STM单片机主控板、差分运算电路、平衡充电电路和电流采样模块等。图1是智能平衡充电器的总体结构框图。

在充电过程中，该充电器通过并联在每个单体电池上的差分电路，检测单体电池的电压，再根据单体电池电压来决定每个平衡电路的工作状态。先进行恒流充电，当某个单体电压达到最大值时，该平衡电路开启，该单体电池立即进入恒压充电状态，起到保护作用和不影响其余单体电池继续充电。所有单体电池达到最大电压时，整体电池组进行恒压充电，实现电池组储能最大化。

图1 系统总体结构框图

当单体电池电压均达到4．2 V，所有的平衡电路断开，整个电池组进入恒压充电，保持充电电压为4．2 V，此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至0．1 A时，并持续再恒压充电10 min后，切断供电电源，并发出声音报警，表示充电结束。由此可将充电过程划分为快充、满充、断电和报警四个阶段。

2 硬件设计

本系统由LM324运放和电阻组成差分运算电路，共有8路，对电池组的各个单体电池电压进行前期调理，然后送入单片机AD进行电压值测量，该电压值既是电池安全电压和控制平衡的保证，又是恒压充电阶段的闭环反馈量。平衡控制电路由三极管和功率电阻串联组成，由单片机控制三极管开断，进而控制平衡控制电路工作。接入充电的电池组中每个单体电池都有与之并联的平衡控制电路。充电电路由MOS管、电感和BUCK、BOOST电路组成，由单片机发出PWM脉宽信号来控制其输出功率。

2．1 差分运算电路

假设该单体电池为电池组中的第N芯电池，那么在它之前还串联了N－1个单体电池，设每个单体电池正负极之间的电压都为UB，那么可以得出其实际电压。

2．2 控制平衡电路设计

锂电池组接入系统充电时，各个单体电池都有与之并联的控制平衡电路。电路由一个达林顿管与2 W的功率电阻串联组成，达林顿管再与一个数字晶体管连接，由数字晶体管间接控制达林顿管的开断。控制过程为：当单片机的AD扫描测量该单体电池的电压达到4．2 V时，说明不能再对其继续进行恒流充电，否则会造成过度充电，此时单片机控制数字晶体管导通达林顿管，使该路的电阻进行分流工作，同时不影响其他单体电池继续充电，也不会造成充电过程中断。

本设计的系统共有8路控制平衡电路，它们按顺序串联在一起。在电池组的实际充电过程中，若发现其中一个单体电池的电压明显比其它单体电池的电压低，为了缩短充电时间，开启其余单体电池的平衡电路，该单体电池不开启平衡电路，设置较小的电流进行充电。其余的单体电池由于分流电阻的分流作用，其真实充电电流很小，几乎不充电。充电进行到该单体电池的电压与其余电池电压接近时，断开所有平衡电路，电池组进行恒流充电。如果充电开始时单体电池的电压几乎在同一水平上，那么所有电池都进行恒流充电，当某单体电压达到最大电压时，该单体电池就先进入平衡充电状态，当所有单体电池均达到最大电压时，断开所有平衡电路开关，电池组进行恒压充电，当充电电流小于50 mA时，认为充电完成。

2．3 BUCK和BOOST电路

单片机的PWM口输出为TTL5 V电平信号，驱动BUCK和BOOST电路的PWM需要12 V的电平，所以设计上通过电平转换电路及使能控制端，与非门用于PWM信号和使能的配合，达到控制目的，同时隔离12 V电源的噪声对单片机IO口的影响。

要使用BOOST升压电路，EN2输入高电平，使能PWM＿BOOST信号。EN1输入低电平，使BUCK降压电路的MOS管全导通，相当于BUCK降压电路不进行降压工作。PWM信号经过两个与非门，输出信号与原信号同相位，串联2 kΩ电阻后，作为比较器LM393的同相端输入信号。比较器的反相端通过两个电阻分压，设置为2．5 V，即为门限电压。LM393的输出为开路，所以接上拉电阻6．8 kΩ到12 V电源，至此就实现了BOOST电路的PWM波电平转换和使能控制。

BUCK和BOOST电路中由三级管8050和8550组成互补推挽，作为MOS管驱动电路，驱动信号为上级LM393输出的PWM脉宽波，三极管射极输出功率稳定的波形。

研究开关电路，有两条基本定理：

（1）稳态条件下，电路中电感两端的电压在一个开关周期内的平均值为0。

（2）稳态条件下，电路中电容电流在一个开关周期内的平均值也为0。

3 软件设计

程序的总体设计思想是：首先根据电池的参数进行充电电压、电流和单体电池数目的设置，再通过差分电路检测电池组中单体电池的个数是否与设置相符。若不相符不进行充电，相符则开始恒流充电。同时电压检测模块进行电压测量，当某个单体电压达到截止电压4．2 V时，该路平衡电路开启，单体电池立即进入恒压充电状态，起到保护作用而不影响其余单体电池继续充电。所有单体电池达到最大电压时，断开平衡电路，整体电池组进行恒压充电，当充电电流小于0．1 A并持续10 min，充电结束，如图2所示。

图2 总电流变化趋势图和总电压变化趋势图

4 实验测试结果

使用该智能平衡充电器对6芯串联锂聚合物电池组进行充电测试，为了使电池组安全充电，一般设置最大充电电流小于2．0A。此次实验，设置充电电流为1．0A。待充电池组的起始电压为21．41 V，各个单体电池电压：u1＝3．46 V，u2＝3．67 V，u3＝3．54 V，u4＝3．57 V，u5＝3．64 V，u6＝3．53 V，图2为总充电电流变化趋势图和总电压变化趋势图。

从t＝0到t＝245 min时段，电池组进行的是恒流充电，在这个阶段充电电流恒为1．0A，随着充电的进行，整个电池组的电压不断上升。当电池组电压达到充电截止电压25．2 V时，说明接下来要进行恒压充电，充电系统把电压值作为反馈来控制PWM输出。恒压充电时，随着充电的进行，充电电流不断减小，直至充电电流小于0．1 A，则认为充电结束。

［1］ 高艳丽．一种DC－DC升压转换器的设计［M］．西安：西北工业大学出版社，2007．

［2］ 张 亮．光伏系统中锂电池智能管理系统设计［M］．扬州：扬州大学出版社，2012．

［3］ 宋加仁，茅力群．基于HT46R23的锂离子电池智能充电器［J］．电子设计应用，2003，（8）：67－69．