摘  要： 基于LPC936微控制器，采用高頻開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)了一款輸出電壓電流可調(diào)的智能充電電源，并根據(jù)磷酸鐵鋰電池充電過程的電化學(xué)特性，提出了改進(jìn)型的磷酸鐵鋰電池恒壓恒流充電方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該充電電源可按預(yù)置的給定充電曲線自動(dòng)控制充電過程，充電過程電池溫升低。該充電電源具有體積小、免維護(hù)和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 磷酸鐵鋰電池；充電方法；LPC936；開關(guān)電源；增量式PI

　　由于鋰電池[1]具有電壓高、體積小、自放電小、無污染、無記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕和循環(huán)壽命高等優(yōu)點(diǎn)，鋰電池將在今后的動(dòng)力電池市場(chǎng)上占有越來越大的市場(chǎng)份額。鋰電池中的磷酸鐵鋰電池在最近幾年逐漸成為動(dòng)力電池和備用電源的主要應(yīng)用電池。相比于其他動(dòng)力電池，磷酸鐵鋰電池具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)得到了很廣的生產(chǎn)和應(yīng)用，就目前而言，其被認(rèn)為是未來電動(dòng)車最理想的動(dòng)力電池。因此，對(duì)磷酸鐵鋰電池充電特性研究，并基于此設(shè)計(jì)開發(fā)的磷酸鐵鋰電池充電電源具有很高的市場(chǎng)價(jià)值。

　　1 磷酸鐵鋰電池充電方法

　　電池充電是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在其多變量、非線性時(shí)變和離散性。影響磷酸鐵鋰電池充電特性的因素很多，如活性物質(zhì)活度、電池初始荷電狀態(tài)、溫度、電池使用歷史、電池極化現(xiàn)象和充電電流大小等。充電方法[2]的研究在電池研究領(lǐng)域占有很重要的地位。對(duì)于水溶液電解質(zhì)蓄電池，傳統(tǒng)的充電方法有：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流、恒流限壓和恒流恒壓充電等，還有一些新型的充電方法，如分段充電、電壓間歇充電和正負(fù)脈沖充電等。目前，市面上的磷酸鐵鋰電池充電電源常規(guī)的充電方式有恒壓充電和恒流限壓充電兩種。恒壓充電要嚴(yán)格定義充電電壓，電壓過低會(huì)導(dǎo)致電池充不滿電，過高則會(huì)使得初期充電電流過大，初期充電電流不宜超過0.3 C（C為蓄電池的額定容量）。恒流限壓充電，初期以恒定的電流充電，當(dāng)端電壓達(dá)到一定值時(shí)，改為恒壓充電，恒流階段電流過低，則會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間延長，時(shí)效低，電流過大，對(duì)于過放電的電池將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損害。

　　與水溶液電解質(zhì)電池不同的是，磷酸鐵鋰電池[3]是以橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為正極，以碳材料作為負(fù)極，正負(fù)極之間用聚合物隔膜隔開。磷酸鐵鋰電池充電放電化學(xué)過程如下。

　　充電反應(yīng)：

　　LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+（1-x）LiFePO4

　　放電反應(yīng)：

　　FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+（1-x）FePO4

　　磷酸鐵鋰電池充電過程中，鋰離子Li+從正極遷移到負(fù)極，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于單體電池，充電電壓上限值為3.65 V，即鋰離子幾乎完全從LiFePO4脫出形成FePO4。因?yàn)榱姿徼F鋰電池不具有水溶液電解質(zhì)蓄電池常有的過充保護(hù)機(jī)制，如果繼續(xù)充電，將會(huì)導(dǎo)致電池端電壓急劇上升，這樣會(huì)使得電池過充。一旦過充電，在正極由于鋰離子的過多脫出而發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)性變化，負(fù)極上可能會(huì)產(chǎn)生金屬鋰的表面析出，而且可能會(huì)發(fā)生隔膜分解等副反應(yīng)，由此導(dǎo)致電池循環(huán)使用壽命的急劇減少。放電過程中，鋰離子從負(fù)極遷移到正極，放電電壓過低時(shí)，即鋰離子幾乎完全與FePO4結(jié)合形成LiFePO4，電池供電能力極弱，當(dāng)電池電量很低時(shí)，不宜采用大電流充電，否則會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)性變化從而減少電池循環(huán)使用壽命，并且對(duì)于磷酸鐵鋰電池，大電流充電極易導(dǎo)致電池電量不能充滿。靜置后滿電量磷酸鐵鋰單體電池標(biāo)稱電壓為3.2 V。

　　基于磷酸鐵鋰電池的化學(xué)特性，本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型的恒流恒壓式充電方法，對(duì)于磷酸鐵鋰單體電池，當(dāng)單體電池電壓小于2.5 V時(shí)采用0.8 A（0.1 C）小電流涓流充電；當(dāng)電池電壓大于2.5 V時(shí)采用2.4 A（0.3 C）電流恒流充電，充至給定電壓為3.65 V時(shí)轉(zhuǎn)入恒壓充電。此時(shí)，充電電流將不斷下降，當(dāng)下降到0.8 A（0.1 C）時(shí)，停止充電，認(rèn)為充電完成。由于設(shè)計(jì)中的電池是由16節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示，當(dāng)電池電壓小于40 V時(shí)采用0.8 A電流涓流充電，大于40 V進(jìn)入恒流階段，采用2.4 A電流充電，充至給定電壓為58.4 V時(shí)轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)充電電流下降到0.8 A時(shí)認(rèn)為充電完成，雖然磷酸鐵鋰電池自放電小，但仍然存在自放電現(xiàn)象，在充電結(jié)束之前，以0.8 A電流定時(shí)充電10 min，磷酸鐵鋰電池充電曲線如圖1所示。

　　2 充電電源電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述分析而設(shè)計(jì)的智能型磷酸鐵鋰電池充電電源[4]，主要由以高頻開關(guān)電源[5]為核心的功率部分和以單片機(jī)為核心的控制部分組成。

　　充電電源總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路，輸出300 V左右的直流電，再經(jīng)過半橋拓?fù)潆娐份敵龅闹绷麟娊o蓄電池充電，對(duì)輸出端的輸出電壓和輸出電流采樣，并經(jīng)過運(yùn)放隔離后送至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換引腳，其中，負(fù)的電流采樣后經(jīng)過霍爾電流傳感器處理。根據(jù)蓄電池充電的不同階段，由單片機(jī)輸出兩路相位相差180°的合適占空比的PWM，兩路PWM經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路后送至MOSFET管的柵極作為控制信號(hào)，控制輸出端的電壓和電流，并將充電的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來。

　　2.1 輸入整流濾波電路

　　本設(shè)計(jì)采用交流220 V輸入，經(jīng)過共模扼流圈和整流橋，輸出300 V左右的直流電壓。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示，其中共模扼流圈L1有效地降低了電源輸入部分的共模干擾。

　　2.2 半橋變換器電路

　　設(shè)計(jì)的半橋電路原理圖如圖4所示。300 V直流電壓經(jīng)過R3、R4、C7、C8精準(zhǔn)分壓，其中R3=R4=51 k?贅，R1、R2確保開關(guān)管可靠關(guān)斷；D1、D2有效地抑制變壓器原邊開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓；串聯(lián)耦合電容C9防止偏磁現(xiàn)象的發(fā)生，經(jīng)計(jì)算，選擇2.2 ?滋F電容。

　　由于鐵氧體材料磁芯具有高電阻率、損耗小和溫度影響低等優(yōu)點(diǎn)，故采用鐵氧體作為變壓器T1的磁芯材料，選擇ETD44形狀磁芯作為變壓器磁芯，根據(jù)法拉第定律可知，得原邊最小線圈匝數(shù)的計(jì)算式為：

　　其中，Np為初級(jí)線圈匝數(shù)，Vp為原邊線圈電壓，ton為每周期導(dǎo)通時(shí)間，?駐B為磁通密度增量，Ae為磁芯最小面積。最大導(dǎo)通時(shí)間為開關(guān)周期的80%；變壓器工作頻率為50 kHz；為了保證變壓器能正常工作，取ton為最大導(dǎo)通時(shí)間8 ?滋s；允許電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)為20%；將直流輸入電壓Vdc取最小值為220 V×0.8×1.414=249 V；ETD磁芯Ae為174 mm2；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，?駐B取0.4 T。最小初級(jí)匝數(shù)Np為：

　　對(duì)應(yīng)的線徑為0.518 mm，根據(jù)線徑對(duì)照表，并留一定的裕量，取線號(hào)為AWG#23，線徑為0.574 mm。

　　同理可知，變壓器副邊繞組選取線號(hào)AWG#20，線徑為0.813 mm。

　　MOSFET管Q1和Q2選擇可承受500 V電壓和20 A電流的IRFP460；輸出整流管選擇信號(hào)為SC60SC3M的肖特基二極管，其正向可承受電流為60 A，反向耐壓為30 V。

　　3.3 隔離驅(qū)動(dòng)電路

　　圖5為隔離驅(qū)動(dòng)電路。LPC936單片機(jī)輸出兩路相位相差180°的PWM信號(hào)，為了防止開關(guān)電源部分對(duì)單片機(jī)PWM干擾，設(shè)計(jì)中采用兩片6N137對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行光耦隔離，隔離后的PWM信號(hào)再送至IR2110進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)功率管IRFP460。

　　D5和C16構(gòu)成了自舉電路[6]，使得Q1有效工作，自舉法是功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)簡單而有效的方法。高壓側(cè)自舉供電，整個(gè)電路只需要一個(gè)電源，簡化了電路，減少了成本。此電路的關(guān)鍵在于自舉電容和自舉二極管的選取。

　　自舉二極管D5應(yīng)選擇高頻的快恢復(fù)二極管，本文選擇耐壓700 V的UF4007。經(jīng)計(jì)算和反復(fù)調(diào)試，自舉電容C16選擇0.15 ?滋F。

　　3.4 控制電路

　　該系統(tǒng)的控制器采用LPC936單片機(jī)，對(duì)充電過程進(jìn)行控制，以單片機(jī)為核心的控制部分主要完成3個(gè)功能：（1）對(duì)給定的電壓和電流進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換；（2）根據(jù)采樣的電壓和電流的大小，給出兩路占空比可變的PWM信號(hào)；（3）對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行顯示，包括紅綠指示燈顯示，充電電壓電流顯示。設(shè)計(jì)中LPC936單片機(jī)28個(gè)引腳的模式和功能如表1所示。

　　4 充電電源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)磷酸鐵鋰電池的充電特性，將電池充電過程分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電和定時(shí)充電4個(gè)階段。軟件流程圖如圖6所示。

　　為了使得輸出電壓和電流能動(dòng)態(tài)跟蹤給定電壓電流曲線，本設(shè)計(jì)采用電壓、電流雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)，由于增量式PI有計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，故采用增量式PI控制算法。兩個(gè)恒流充電過程中，調(diào)用電流PI控制；恒壓充電過程中，調(diào)用電壓PI控制。流程圖如圖7所示。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　實(shí)驗(yàn)中以標(biāo)稱電壓為51.2 V的磷酸鐵鋰電池為充電對(duì)象，在鋰電池不同初始電量情況下進(jìn)行多次充電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各充電階段能夠穩(wěn)定切換，電池充電過程總溫升較低，由于電池充電過程存在極化現(xiàn)象，充電結(jié)束后，電池靜置過程中，電壓緩慢下降，經(jīng)過10 h靜置后的電池電量基本維持在51.2 V左右。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4階段的充電方式、充電電源硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)合理，另外，該充電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可移植性，對(duì)于不同種類的蓄電池以及不同的給定充電方式，只需稍加改動(dòng)，便可滿足充電需求。

　　最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證和直觀地展現(xiàn)充電過程，本文在MATLAB環(huán)境下，基于初始端電壓為38 V的磷酸鐵鋰電池的理想PNGV模型[7]對(duì)于電池充電預(yù)充電階段、恒流階段、恒壓階段做了充電仿真實(shí)驗(yàn)。其充電電壓，電流仿真結(jié)果分別如圖8和圖9所示，仿真結(jié)果更加直觀地顯示了充電的整個(gè)過程。

　　本文基于磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)特性，提出了改進(jìn)型的4階段充電方法，并針對(duì)16節(jié)8 Ah的磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)開發(fā)了充電電源，具有很好的應(yīng)用和市場(chǎng)價(jià)值。

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