基于STC15的鋰離子電池充放電保護(hù)電路

王立志，何東朗，李棟，汪德洋，張峰源

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司)

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基于STC15的鋰離子電池充放電保護(hù)電路

王立志1，何東朗2，李棟2，汪德洋2，張峰源2

(1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.國網(wǎng)山東省蓬萊市供電公司)

摘要:針對(duì)移動(dòng)電源存在的不能自動(dòng)續(xù)充問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)充放電電路，并對(duì)常見鋰電池過壓過流保護(hù)、電池電量監(jiān)測問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)電路。應(yīng)用普遍使用的STC15W401AS、SX2105、DS2762芯片作為核心器件，配合相應(yīng)外圍電路，為基于單片機(jī)的鋰離子電池充放電保護(hù)電路的應(yīng)用提供了一種參考。

關(guān)鍵詞:移動(dòng)電源；鋰電池；充電放電保護(hù)；電量檢測

引言

隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦等便攜式電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，待機(jī)時(shí)間逐漸成為限制其發(fā)展的瓶頸，因此對(duì)鋰離子電池提出了更高的要求[1]。隨著各種電子設(shè)備顯示屏的增大，其耗電量也隨之增加，為了滿足人們對(duì)電量的要求，移動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。然而鋰離子電池對(duì)充電設(shè)備的要求比較苛刻，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)續(xù)充，需要對(duì)電池的電壓、剩余電量、溫度等諸多信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)需要關(guān)注充電過流、過壓、放電短路、過熱等情況。

本文提出一種改進(jìn)的自動(dòng)檢測鋰離子電池電量的電路及電池充放電保護(hù)電路，以滿足鋰離子電池對(duì)充電器的要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電—恒流充電—恒壓充電的理想充電保護(hù)。理想智能充電方式示意圖如圖1所示。

圖1　鋰電池理想智能充電方式

1移動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用了STC15W401AS單片機(jī)芯片、SX2105降壓同步整流芯片及用于判斷電池過壓、過放電、過流等狀態(tài)的DS2762芯片，完成對(duì)鋰電池的智能充電，并實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的剩余電量，同時(shí)在充電過程中需要及時(shí)切換恒壓充電和恒流充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓、過流及低壓的保護(hù)。

2移動(dòng)電源對(duì)電池電量實(shí)時(shí)檢測電路

圖2　移動(dòng)電源電池檢測電路

圖3　保護(hù)狀態(tài)下各控制引腳輸出電平

3鋰離子電池充電放電保護(hù)電路

鋰離子電池充電放電保護(hù)電路原理圖如圖4所示。保護(hù)電路以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心[5]，監(jiān)測電池電壓與回路電流，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，通過控制2個(gè)MOSFET的柵極，分別控制充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。

在正常狀態(tài)下，電路中P1.5和P1.6口都輸出高電壓，Q1和Q4都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電。在充電初期，為恒流充電，隨著充電進(jìn)行，電壓會(huì)上升轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。電池在充電過程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題，所以當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，比較器LM139會(huì)翻轉(zhuǎn)，單片機(jī)P1.0采集到低電平，控制P1.5由高電平變成低電平，使Q4由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于Q4自帶的體二極管D4的存在，可以起到續(xù)流的作用[6]，電池可以通過該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電。

電池電壓會(huì)隨著供電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5 V時(shí)，P1.1采集到低電平時(shí)，控制P1.6由高電平變成低電平，使Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了供電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于Q1自帶的體二極管D1的存在，充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。在STC15W401AS檢測到電池電壓低于2.5 V至發(fā)出關(guān)斷Q1信號(hào)之間，應(yīng)有一段100 ms左右的延時(shí)，以避免因干擾而造成誤判斷。當(dāng)電池超過2 C(C=電池容量/小時(shí)數(shù))電流供電時(shí)，即為過電流充電，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題[7-8]，因此當(dāng)MOS管及三極管的壓降超過正常壓降0.2 V時(shí)，P1.2采集到低電平，P1.6由高電平變?yōu)榈碗娖剑筈1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了供電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。

電池在對(duì)負(fù)載供電過程中, 當(dāng)電池正常供電過程中供電電流流過串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓,該電壓值設(shè)為U；當(dāng)負(fù)載因某種原因發(fā)生異常,使回路電流增大, MOSFET的電壓為U1。若回路電流大到使U1-U>0.9 V時(shí),則可判斷為負(fù)載短路,INT1采集到低電平,系統(tǒng)進(jìn)入中斷,控制Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷供電回路,起到短路保護(hù)作用。

STC15W401AS的外圍電路主要應(yīng)用MOS管和三極管，根據(jù)它們的開關(guān)特性，通過控制其引腳的電壓來控制電路的導(dǎo)通或者關(guān)斷，Q1和Q4作為電路總開關(guān)，當(dāng)它們導(dǎo)通時(shí)，說明符合充電要求，可以進(jìn)行充電，當(dāng)它們關(guān)閉時(shí)，說明電池不符合充電要求或者該電池已充滿電。 其他一部分電路是用于濾波，使電路始終通過直流電；另一部分用于保護(hù)整個(gè)電路，防止電壓過高而燒壞[9-10]。

圖4　鋰離子電池充電供電保護(hù)電路

結(jié)語

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王立志(碩士研究生)，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

Lithium Ion Battery Charge and Discharge Protection Circuit Based on STC15

Wang Lizhi1,He Donglang2,Li Dong2,Wang Deyang2,Zhang Fengyuan2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.State Grid Shandong Penglai Electric Power Company)

Abstract：Aiming at the problem of the existence mobile power supply can not be continued,an automatic charging and discharging circuit is designed.In the paper,the corresponding improvement circuits of the common lithium ion battery over-voltage and over-current protection,battery monitoring problem are proposed.The design takes the STC15W401AS,SX2105 and DS2762 as the core devices,with the corresponding peripheral circuits,which provides a reference for the application of the charging and discharging protection circuit of lithium ion battery based on MCU.

Key words:mobile power;lithium ion battery;charge and discharge protection;power detection

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-07-20)

中圖分類號(hào):TM502

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A