磷酸铁锂电池充电电路的设计及实验分析

磷酸铁锂电池充电电路的设计及实验分析

贝天宝

（广东工业大学机电学院。广东广州５１００９０）

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黧摘要：锂电池宠龟电路的好坏不但关系着锂电池的寿命和使用效率，而且还关系着锂电池的安全问题。本文主要根据锂电池的特

性，设计了磷酸铁锂电池的充电电路和保护电路．并通过实验验证了本文设计的充电电路的上Ｅ确性。文章最后根据设计的充电电路搭建了实验平台，并通过单片机采集电路，采集了充电状态下锂电池电压的变化情况，并绘制了变化曲线。关键词：磷酸铁锂电池；充电电路；充电特性中图分类号：ＴＭ９１２．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００９—９４９２（２００８）１２－００６２＿０３

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１引言

自１９９０年日本ＳＯＮＹ公司研制成功小功率锂离子电池以来．锂离子电池作为一种新型的高新能蓄电池，与传统的二次电池相比，有着突出的优点。锂离子电池的工作电压是３．６Ｖ，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍，因此也只能用锂离子电池专用充电器来充电，以免发生事故。

２００２年后新推出的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（“ｇｅＰ０４）材料作电池正极的锂离子电池，由于磷酸铁耐高温、遇热不分解，在电池过充或短路的情况下其特性极其稳定，安全性极好，对环境无污染，是目前最好的大电流输出动力电池。

所以其最高充电电压为３．６Ｖ，标准工作电压是３．２Ｖ，截止放电电压是２．０５Ｖ。而一般的锂电池最高充电电压为４．２Ｖ，标准工作电压为３．６Ｖ。为此磷酸铁锂电池的充电电路也不同于一般的锂电池充电电路。

３充电电路的设计

综合前面所述的磷酸铁锂电池特性．本文采用线性充电的方式来设计磷酸铁锂电池的充电电路。线性充电方式就是在锂电池克电的各个阶段，通过调整外部调整管（功率晶体管），以合适的电流给电池充电，该方式的优点在于具有限流功能，不需要外部限流配适器…。图ｌ是以线性充电的方式的原理图和充电电压变化曲线示意图。

２锂电池充电特性

由于锂离子电池的特殊材料特性，锂离子电池的充电方式和一般的可充电电池的充电方式不同。锂离子电池的充电方式通常分为以下三个阶段。

１）预充阶段。当电池电压降到某一规定的值时，充电器对电池进行预充电。主要是避免电池在低压时大电流充电对电池寿命造成的影响。

２）恒流充电阶段。当电池电压达到恒流规定的门限值的时候，充电器便进入第二阶段，即恒流充电阶段。

３）恒压充电阶段。随着电池充电的进行，当电池的电压达到恒压门限电压时，其充电量接近其容量的４０％～７０９＇０。为了进一步充满电池，充电器进入恒压充电阶段。在恒压充电阶段，当充电电流逐渐下降到低于电池的０．１Ｃ时。充电周期完成。

磷酸铁锂电池作为锂电池的一种，其充电特性也完全符合以上特性，由于其能量密度较其它类型的锂电池低，

收稿日期：２００８－０６－０６

图１

线性充电原理图和充电曲线

图２是按照线性充电方式来设计的单个磷酸铁电池充电电路图，其中包括保护电路。

以上充电电路的主要部分是电源控制芯片ＣＮ３０６０【２】，它是专门为单个磷酸铁锂电池而设计的线性充电芯片，利用内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。

当电池电压检测输入端（ＦＢ）的电压低于２．０５Ｖ，充电电路用小电流对电池进行预充电。以保护电池。当电池

式。该功能有电源控制芯片ＣＮ３０６０实现。

过流或短路保护主要是为了防止某砦不明原因造成过电流或短路。保护电路工作原理足：当放电电流过大或者短路情况发生，保护电路开启电流检测功能。将功率管ＭＯＳＦＥＴ导通时的电阻当成感应阻抗，通过检测其导通时压降的情形，来判断电路是否过流。如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电。保护电路丰要由芯片Ｆｓ３２６来

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实现１３］，图４是芯片的外形图和引脚说明。

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图４

Ｆｓ３６２Ａ的引脚说明

从图２可以看出，过流或者短路保护主要是通过检测

图２

充电电路原理图

保护芯片的ＣＳＩ引脚上的电压来实现的，如果当检测到ＣＳＩ引脚的电压超过内置的固定电压（ＦＳ３２６保护ＩＣ的内

电压检测输入端（ＦＢ）的电压超过２．０５Ｖ时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ＩＳＥＴ管脚和ＧＮＤ之间的电阻确定。当电池电压检测输入端（ＦＢ）的电压接近电池端设定３．６Ｖ电压时．充电电流逐渐减小，ＣＮ３０６０进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值（恒流充

置电压是１５０ｍＶ±３０ｍＶ），说明电池放电电流过大，这时保护ＩＣ控制引脚ＯＤ输出低电平，关断功率管ＭＯＳＦ＇ＥＴ，停止电池放电，保护电池。设ＣＳＩ引脚的检测电压为ｙ圆，则有：

ｙ凹＝２×尺ｍ（㈣×，，

其中：ｙ。表示ＣＳＩ引脚的电压；Ｒａｓ（㈣表示调整管的导通电阻；Ｉ表示限流电流。

设计电路的过流保护为１．５Ａ，保护ＩＣ的内置电压是１５０ｍＶ±３０ｍＶ，则所需要的功率管ＭＯＳＦＥＴ的导通电阻Ｒｍ（㈣为：

电电流的１０％）时，充电周期结束，可丽盯端输出高阻

态，Ｄ石丽端开始输出低电平，表示充电周期结束。如果

要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了．。图３所示是芯片的引脚图。

４保护电路设计

锂离子电池电路至少需要三重保护：过充保护、过放保护和短路保护。

当外部充电器对锂电池充电时。为防止温度上升所导

致的电池内压上升，需要终止充电。此时保护电路需要检测电池电压，当电压达到３．６５Ｖ时，即启动过度充电保护。为了防止锂电池的过放电，当锂电池电压低于其

Ｉ：ＴＥＭＰ

３：ＧＮＤ５：ＮＣ７．ＤｏＮＥ

Ｒｒｓ＜ｏｍ＝诗＝高静＝５０ｍｆｌ。

通过以上计算，选择功率管ＭＯＳＦＥＴ的导通电阻Ｒｍ（啪充电电路的实验和数据采集主要是通过５１系列单片

为５０ｍｆｌ左右。选用场效应管Ａ０４４０５来实现，该场效应管的月傩（㈣典型值为５５ｍ１１。

５充电电路的实验分析和结论

机在充电状态下，对电池的电压进行采集，来观察电池电压的变化情况和充电电路的正确性。图５是简单的充电电路实验照片，其中包括采集电路、充电电路和单个１８６５０号磷酸铁锂电池。

采集模块主要是由５１系列的ＳＩＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤ单片机组成【５】，内置８位的８通道ＡＤ转换器，单片机的基准电压是５Ｖ，采集的电压范围是Ｏ一５Ｖ，电池的充电电压是０—４Ｖ，不超出采集范围。由于采集的是未处理过的十六进制数据，所以对采集到的数据经ｍａｔｌａｂ软件适当的处理后，

２：ＩＳ盯

４：Ｖ玳

６：ＢＡＴ１１：ＣＨＲＯ

过放电电压检测点２．０Ｖ时，将启动过放保护电路，截止放电并将电池保持在低

９：髓

图３芯片引脚图

静态电流的待机模

再通过以下计算公式计算出采集到的电压，最后画出其充电曲线。

Ｖ＝Ｄ１一＜５／２５５，

其中：％表示采集到数据所对应的十六迸制值；

Ｖ表示电压值。

图６充电电压变化曲线图

以得出，此设计的充电电路的实验结果正确。

参考文献：

【ｌ】王非，刘昊，田晓明．手持终端设备中的钽电池充电技术

图５

实验照片

［Ｊ】．电子器件，２００４，２７（４）：７５７．

［２】安培磷酸铁锂电池充电嚣集成电路ＣＮ３０６０［Ｚ】．深圳市科

根据计算后的数据，画出的曲线图如图６所示。该曲线显示的是磷酸铁电池充电时的电压变化曲线，纵坐标表示的是电池的电压，横坐标表示的是采集电压数据的个数（约３０万个）。其中ＯＡ段表示的是涓流阶段，这时电池电雎低于２．０５Ｖ。当电池电压超过２．０５Ｖ时，电路开始恒流充电，在图中表示为ＡＢ段。Ｂ点的电压为３．６Ｖ，当超过Ｂ点电压时，开始ｔ一压充电。在恒压充电阶段，当控制电路检测剑充电电流小于１／１０恒流充电电流时，关闭充电，显示充电结束。用以上曲线对比图ｌ曲町

（上接第２４页）

备ｒ从二维没计向三维设计的升级，主要产品的三维模型已经开始建移，如图２所示。通过三维造型，产品的设计思路更为直观和便于验证，再加上软件具有的装配干涉检查等功能，使得设计＿［作如虎添翼。

韵达电子有限公司．２００ｒ７．［３】Ｆｓ３２６

Ｄａｔａ

Ｓｈｅｅｔ【ＯＢ／ＥＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｆｏｒｔｕｎｅ．ｅｏｍ．ｃｎ．

［４］何立民．ＭＣＳ一５１系列单片机应用系统设计系统配王与接寸技

术［Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，１９９０．

［５］Ｓ１阢１２Ｃ２０５２ＡＤ系列单片机器件手册［ＯＢ／ＥＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．

ＭＣＵ—Ｍｅｍｏｒｙ．ｅｏｍ．

作者简介：贝天宝，男，１９７９年生，浙江上虞人，硕士研究生。研究领域：机电液工程智能控制。已发表论文２篇。

（编辑：向飞）

通过一年多的应用。基于ＵＧ技术的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统在实际使用中充分证明了自身的价值，公司的信息化水平整体向前迈进了一大步，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的应用更在公司技术人员中得到了良好的反响与支持，设计、制造模式已经在不知不觉中上了一个新的台阶。

４结束语

回顾东方重机构建ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的过程，从项目调研、立项、实施都比较顺利，成功的因素可总结为以下几点：一是规划合理；二是项目组织到位；三是领导重视；四是项目团队工作得力；五是软件系统选择正确。以上缺了任何一条，都会对项目的实施带来障碍。

参考文献：

【１］国家发展和改革委员会．棱电中长期发展规划（２００５—２０２０

年）【Ｒ】．２００７．

图２

核岛主设备一蒸汽发生器

【２】丁祥海．制造企业信息化实施过程管理理论与方法研究

［Ｄ】．杭州：浙江大学，２００４．

３）再次，设计部门和工艺部门具备了信息融合的条’件，设计部ｆＪ的■维模型可为工艺部门数控编程提供支持。

４）最后，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统为今后企业级的信息整合（ＰＤＭ）打下了良好的基础和铺垫。

第一作者简介：娄方林，男，１９７５年生，贵州贵阳人，硕士，工程师。研究领域：机械制造工艺技术、系统仿真等。已发表论文１篇。

（编辑：王智圣）

磷酸铁锂电池充电电路的设计及实验分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

贝天宝， BEI Tian-bao

广东工业大学机电学院,广东,广州,510090

机电工程技术

MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY2008,37(12)

参考文献(5条)

1.王非.刘吴.田晓明 手持终端设备中的钽电池充电技术[期刊论文]-电子器件 2004(04)2.安培磷酸铁锂电池充电器集成电路CN3060 20073.FS326 Data Sheet

4.何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计系统配王与接口技术 19905.STC12C2052AD系列单片机器件手册

本文链接：http:///Periodical_jxkf200812024.aspx