李涛
江西江铃集团新能源汽车有限公司 330013
摘要：本文首先对锂离子电池的工作原理和相关特性进行了分析，利用其常用的充电模式，在其基础上设计了不影响锂离子电池使用周期的快速充电思路。为满足锂离子电池快速充电控制的要求，设计了锂离子电池组快速智能充电系统，有利于提高了锂离子电池的使用周期和充电效率。
关键词：锂离子电池；智能充电；快速；系统设计
一、锂离子电池的工作原理及特性
（一）工作原理
在1990年初，出现了一种新型的环保高能可充电池，即锂离子电池。它有很多优点，比如输出电压高、循环周期长、安全性好、自放电小等。锂离子电池的核心元素锂质量极轻，与水相比，金属锂的比重只有它的一半。与铝相比，锂的重量只有它的五分之一。在所有金属中，锂的电负性是最高的。通过计算可知，将当1克锂转化成锂离子时，所产生的电荷达到3860毫安，再加上其工作 电压超过3V，因此可以说锂是电池的所有负极材料中质量最轻但是电荷最大的。
（二）特性
1.锂离子电池的电化学特性
在早期，负极是带有金属锂的“锂电池”。因为金属锂的化学反应太大，在充电过程中可能会导致短路情况出现。在长期以往的探索和研究之后，发现锂可以与多种金属形成合金，并且其活性要低得 多，更令人惊讶的是，锂可以可逆地从许多层状材料中引入和提取。锂嵌入化合物的发现和应用为锂离子电池奠定了技术基础[1]。通过分析锂离子电池的电化学特性，可以有依据地设计快速智能充电装置系统。因此，在设计充电器时，必须注意要对充电速度，充电结束时的电池电压以及充电过程的持续时间严格把控，并且充电电流必须在充电过程的后半部分逐渐减小。
2.锂离子电池的电气特性
锂离子电池和传统的可充放电池相比，具有以下的优点：第一，工作电压高。锂离子电池相当于串联连接三个镍镉或镍氢电池。第二，比能量大。不同电池的能量密度比的比较分析。锂离子电池在单位内的重量能量密度和功率密度是最高的，即在所有条件相同的情况下，锂离子电池两次充电之间的时间间隔最长。第三，使用寿命 长。锂离子电池的使用寿命通常可以达到数千次。第四，没有记忆特征。记忆特征是指由于电池在使用过程中电没有完全用完，就开始充电，导致电池负极板上产生异常，这会对电池电压产生限制，表现为电池电量看似满了，但放电时电压会急剧下降，这会缩短电池使用周期[2]。锂电池没有记忆特征，可以在放电周期中随时充电。
二、锂电子的主要充电方式
和其他二次电池的充电特性相比，锂离子电池有很大的差异性。因此，锂离子电池在充电过程中必须结合自身存在的特点，否则会导致使用周期变短。锂离子电池的充电特性。因此结合锂离子电池不 同的规格和型号，应该选择正确的充电方法。这不仅有利于提高锂离子电池的充电效率，而且还可以延长锂离子电池的使用周期。
（一）线性恒流恒压法
稳压电源可以根据调整管的工作状态，分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源，是指调整管的工作状态是呈线性的直流稳压电源。它投入使用的时间比较长，具有比较多的特点，比如反应速度快、产生噪音低、大量散热、给系统间接地增加噪音等。处于线性状态下的调整管等同于电阻，由于电流经过电阻会发热，所以线性状态下的调整管，散热也是较多的，导致效率较低。线性稳压电源最主要的一个缺点就是输入和输出的压差对效率具有影响[3]。因此在小电流和低压差的时候，通常首先选择线性恒流恒压法。然而大功率的锂离子电池组需要大电流充电，如果采用线性恒流恒 压法，就会导致热量消耗大，充电效率低。
（二）PWM恒流恒压法
PWM恒流恒压法是结合开关型稳定电源原理设计的一种充电模式。在关断状态下，功耗接近于零，在连接状态下管压降到很小，功耗小且效率高。和线性充电方式相比，开关型充电方式的优点就是电源效率高，输入电压范围大，稳压效果很好。
但是它也存在不足，比如输出波纹大、电路复杂且对元件的要求也很高。在提高开关频率控制电路噪声，合理布线电路以及选择合适元件的情况下，能够有效减少干扰问题。
（三）限流恒压法
限流恒压法是将线性恒流恒压充电法和PWM恒流恒压充电法综合起来，创造的一种新型充电模式。限流恒压法的整个过程可以分为两个阶段，即恒流充电和脉冲充电。如果电流较大，有成本、空间和热量的限制，就选用限流恒压法。限流恒压法融合了线性法和PWM法的优点，如简单、成本低、散热低。但是限流恒压法也存在一个不足，就是需要有限流功能的电源，这会把损耗转移到限流电源内部，导致系统的成本增加，效率低下。
三、锂离子电池组快速充电电路设计
锂离子电池组和单个锂离子电池的充电要求相同。在锂离子电池的许多电气特性中，电池寿命和满充电容量是最重要且关注最多的两个特性。因此，开发用于锂离子电池的快速智能充电系统，旨在不影响电池组使用周期和最大化电池容量的情况下，提供快速有效的充电。
（一）控制电路设计
选择AT89S52作为主控制器，不仅可以实现专用的集成充电控制芯片的功能，还可以满足锂离子电池充电控制的特殊要求，从而可以充分有效地利用系统资源，并可以发挥系统性能，通过编程提高了 系统的灵活性。开关电源的体积，功率和效率与工作频率密切相关。频率越高，体积越小，因此可以提高效率。然而，当开关频率太高时，开关元件中的损耗和电路中的损耗将迅速增加，这将降低电路的效率。因此，选择开关装置合适的工作频率可以提高整体效率。
（二）检测电路设计
AT89S52控制器根据锂离子电池组的实时采样电压和电流来评估快速充电系统的状态，并据此进行调整。在反馈环节中，检测电路是不可缺少的一环，必须确保得到的信号是精准的。间歇性的直流电 压和直流电路会产生较长的纹波，并且主电路电压的电压高于控制电路的电压，因此在设计检测电路时，有必要进行电气隔离和降压。电压跟随器比较突出的特点是输入阻抗高，输出转换低，通常用作电路中的缓冲器和隔离级。
（三）驱动电路设计
尽管MOSFET管能够受TL494输出的PWM的直接驱动，但是为了将驱动控制电路和斩波电路之间进行电气隔离，提高驱动的稳定性和有效性，对TL494的驱动控制电路进行改善是十分必要的。由TLP557构建的MOSFET驱动电路，引脚2与TL494的PWM信号脚 相连接，由增强推拉式的晶体管Q2和Q3组合控制MOSFET的导通与关断。
（四）保护电路设计
从锂离子电池的电气特性分析可以看出，对锂离子电池的充电电路采取保护措施是必不可少的。如果锂离子电池充电容量接近满格还在继续充电就会导致过度充电，在这种情况下，电池内部的电解质会被分解，随温度升高而释放出气体，从而导致自燃或爆炸的危险。在本设计中，锂离子电池的充电保护功能是通过软件实现的，当检测到的充电电流过高或电池电压超过正常值时，AT89S52将停止 向TL494提供直流或直流电压充电，发挥保护充电过程的功能。
（五）快速充电的软件设计
锂离子电池组快速智能充电系统基于PWM恒流恒压的功率电路实现快速充电的功能。该系统不仅具有快速充电的控制功能，还具有保护过电压、过电流、短路和声光报警的功能。从连接电流开始，系统就会对电池组的电压信号进行实时的检测。在进入充电状态后，实时监控也不会停止。一旦电压或电流信号出现异常，系统就会立刻关闭功率电路的驱动信号，通过声光报警的方式进行提醒，从 而能够实现保护功能。
参考文献：
[1]孙仲振,赵云.锂离子电池组应用中存在的问题[J].化工设计通讯,2021,47(01):82-85.
[2]茅晓怡.锂离子电池荷电状态及主动均衡技术研究[D].南京邮电大学,2020.
[3]龚瑞昆,徐广璐.锂离子电池快速充电系统技术研究[J].现代电子技术,2020,43(22):27-29+35.
作者简介：李涛，1979年10月11日，男，河南信阳，汉，本科，工艺工程师，江西江铃集团新能源汽车有限公司，研究方向: 电气及自动化（锂离子电池）。