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2010年07月22日 电动车 锂电池充电器设计 张永农 刘春山 陈彦豪 本文针对车用锂电池，设计14.4V/20Ah锂电池的充电器。为提升充电性能，本充电器应用了回授控制技术，并设计定电流转定电压的充电方法，配合可调整的充电模式，可得到良好的充电特性。充电控制模组乃利用PSoC监测电池电压、电流及温度，藉以判断电池充电状态。配合锂电池的特性，IsSpice模拟及实验验证，证实本充电器可防止过份充电的现象，提高充电效率及安全规范。 前言 近年来全世界人们基於环保与能源意识，降低污染与节约能源是未来车辆的两大开发目标，希望以不会排放废气的 电动 车辆来取代内燃机车辆，改善环境日益恶化的空气品质。然而， 电动车 的发展存在著许多不利因素，包括续航力差、电池的体积大且笨重、充电时间长、充电场所不足等。这些负面因素直接或间接牵涉到电池，使得 电动车 尚无法与发展成熟的内燃机车辆一较长短。可见电池技术的瓶颈是发展 电动车 的一大障碍。 锂电池具备体积小、高能量密度、自放电率低、较高工作电压及较长回圈寿命……等优点，经常被应用於可携式电子产品的电源供应。当负载需耗大能量时，锂电池可以利用串并联的方式，得到更高的电压与容量，随著锂电池串并联技术崛起，近年来也出现将锂电池应用於混合动力车的辅助电源，甚至担任 电动车 的动力来源。但由於锂电池化学特性不同於其他电池，操作不当将可能引发电池燃烧甚至爆裂的危险，因此锂电池必须配有特殊的保护电路，以防止过充电、过放电和过热。如何提高锂电池使用的安全性与锂电池寿命，是电池相关业者共同解决的议题。 维修知识http://www.xlgzj.com 电动车 所用锂电池充电器不同於一般可携式电子产品的充电器，不仅需要具备大功率及高效率的电能转换技术，更需要提高其使用安全性。市面上常见的锂电池充电器，属於需使用者更换电池的类型，亦即其充电器不包含电池过充电保护，停止充电的判断取决於电池内部的保护电路，但当保护电路发生故障时，此种架构容易引发电池的过充电及过放电现象，影响电池使用寿命。本文采用的充电器架构包含电池电压检测及过充电保护功能，当检测电压达上限值则停止充电器工作的机能，有效加强锂电池使用安全性及寿命。 本充电器采用顺向式转换器架构，结合PSoC可程式系统晶片，藉由监测电池电压，判断锂电池充电状态，当电池电压达额定时，切换开关至定电压转换器，提供一个固定浮充电压，确保电池处於完全充满电的状态。利用温度感测元件及霍尔元件，量测电池温度及充电电流。当充电产生异常状况时，则控制充电器停止充电，实现 电动车 锂电池智慧型充电器。 电路架构 一般电池充电方式可分为：定电压充电法、定电流充电法、定电压切换定电流充电法、脉冲式充电法、Reflex充电法。并可依电池种类特性不同，选用适合的充电方式。由於本文使用的电池为锂电池，虽然Reflex充电效率较高，但会影响锂电池寿命，且Reflex充电法及脉冲式充电法其控制电路较复杂，容易受外界因素影响。定电压充电法充电初期因充电器设定电压与电池的端电压相差太大，充电初期会造成充电电流过大，且其充电时间较长。定电流充电法充电效率高，但充电后期容易造成锂电池过充电影响电池寿命，必须搭配精准的充电控制器。评估各种充电方式特性后，本文采用定电压切换定电流充电方式，其典型充电特性曲线如图1所示，充电初期以定电流方式充电，避免初期充电电流过大，并可缩短充电时间，当电池电压达设定值时，则切换为定电压充电模式，以确保电池为充满电的状态，有效减少充电时对电池所造成的负担。 维修配件http://www.xlgzj.com 图1. 典型定电压切换定电流充电法充电特性曲线图 本文开发的车用锂电池充电器，其基本架构如图2所示，输入为市电110Vrms、频率60Hz，经EMI滤波并利用桥式整流将交流市电整流成直流电压后，供应两组电源转换电路，分别为定电压电路及定电流电路，定电压及定电流转换电路皆是采用顺向式转换器（Forward converter）的架构，将市电直流155Vdc分别转换为定电压14.4V及定电流10A供给电池充电。定电压电路PWM控制IC采用UC3845利用电阻分压回授方式产生一稳定直流电压。定电流电路PWM控制IC亦为UC3845，回授部分则利用ST公司所开发的TSM101电压、电流控制IC，结合光耦合器PC817完成隔离型定电流电路。为精确量测电池状态，加入电压、电流及温度检测电路，结合PSoC可程式系统晶片控制充电模式，实现定电压及定电流充电开关，并加入判断充电过程产生过温、过电压、过电流等异状后，立即停止充电的机制。最后输出利用保险丝及无熔丝开关达到保护电池的目的。 图2. 车用锂电池充电器基本架构图 电池充放电特性 电池内部电路等效为一电压源及一内电阻，其等效电路如图3所示，其中Rb为电池内电阻。Eb 为电池内部等效的电压源。当电池为正常状态时，放电时必须满足式（1）、（2）。藉由量测电池端电压Vd、放电电流I及外部阻抗 R，代入式（1）、（2）即可得知目前电池内电压源及内电阻的参数。电池内阻为电池充放电时重要参数之一，由内阻可得知电池目前劣化状态。为了制作适合其电池的充电器，掌握电池充放电对电池电压及内阻的影响非常重要。 修理工之家http://www.xlgzj.com （1） （2） 图3. 电池等效电路 本文以14.4V/20Ah的锂电池进行充放电特性量测，放电测试以电子负载进行放电，图4为放电电流10A及20A下放电时间与电池电压的关系，由结果可得知放电电流越大电池放电深度越深，因此锂电池若长期以大电流放电将会严重影响电池的寿命。 图4. 电池放电电压特性曲线图 一般情况下，电池内阻越小其充放电性能越好，因此利用电池充放电时内阻的变化，可估测电池的剩余电量，甚至作为判断电池优劣的依据，而电池内阻又可分为充电状态及放电状态。图5为放电状态时电池内阻的特性曲线，一般情况下放电状态的内阻是不稳定的，由图5即可得知电池内阻在放电时非固定值，且与放电时间成非线性关系。图6为10A 充电状态内阻的特性曲线，排除后期定电压充电模式充电电流不固定，内阻起伏较大，其余定电流充电模式相对於放电状态较为稳定，测量此数值较具意义，因此在电池的测量过程中，通常都以充电状态的内阻做为测量的标准。 图5. 电池放电内阻特性曲线图 图6. 电池充电内阻特性曲线图 充电特性量测方面使用电池厂商提供的专用充电器，其充电器规格为14.4V/10A，采用定电流切换定电压充电法，其充电特性曲线如图7所示。由图7可得知其充电规范，并作为本文设计充电器的依据。但此充电器仍有许多改善空间，由图7可知其充电过程中充电电压最高值已超过电池额定的14.4V，且其定电压充电阶段的充电电压过低，易导致电池不完全充电，这些因素皆会影响电池使用寿命，因此本文将透过PSoC晶片完成精准的充电模式控制，并分别设计定电压及定电流电路以得到稳定的充电电源。 电动车配件http://www.xlgzj.com 图7. 电池充电电压特性曲线图 电池充电器电路 本文的定电压充电电路采用顺向式转换器，顺向式转换器其动作原理与降压型转换器（buck converter）相同，当电源输入时，ㄧ次侧绕组同时将能量传递到二次侧，其变压器为纯粹的隔离变压器，通常选用无气隙的变压器，因此电感值较高、铜损较小，流经功率开关的峰值电流相对也较小，故可降低开关的切换损失。其适合低电压、大电流的应用，最广泛被使用在功率介於150W至200W且输入电压介於 60V至250V之间。若采用双功率开关的顺向式转换器架构或简称双晶FORWARD，其主要优点为两个开关同时导通及截止，每个开关的额定为单开关者的一半，因此可承受较高的输入电压，功率甚至可达500W，但双开关的结构，其中一颗开关必须隔离驱动，增加许多成本。本文在功率范围及成本考虑下，选择单开关的顺向式转换器架构。 实际设计顺向式转换器时，必需将磁化电流列入考虑，在功率开关截止时此磁能无法被释放，最后会导致变压器损坏功率开关，传统的作法为设计-去磁线圈将变压器磁化电感的储能传递回输入电源。而为了确保去磁线圈有足够的时间能够做去磁的动作，开关的工作比率必须受到限制，其限制如式（3）所示，N P为一次侧线圈圈数；Nr为去磁线圈圈数；D为工作比率。当N r=NP时，其工作比率设计可小於或等於50%，当N r>NP时，则其工作比率设计必需小於50%，但可降低功率开关的电压应力。相反的，若工作比率大於50%，则必需选择更高电压应力的功率开关。 维修工具http://www.xlgzj.com 本文的定电压顺向式转换器其PWM控制器采用安森美公司所开发的UC3845控制晶片，其典型应用电路如图8所示。其中，工作频率可由RT、CT决定，其振荡频率f s可利用公式（4）求得，输出端以回授电阻R1 、R2分压后接至UC3845内部的误差放大器，并与内部2.5V参考电压做比较，当输出端分压电压小於或大於2.5V，则PWM控制晶片UC3845将会控制其工作比率，藉此完成回授定电压的功能。在IC的脚位1、脚位2连接的R3、C 1为补偿电路，其目的为改善频率响应及增加回授稳定度，但此补偿值不易求得，典型C1为4.7nF，而本文的R3 使用1MΩ的可变电阻来获得适当的补偿值。 图8. UC3845应用电路 UC3845不仅具有电压回授的功能，亦具备一电流回授的功能，典型使用方式为在功率开关下串接一电阻Rs 作为电流检测电阻，并经由R4、C2 所组成的低通滤波器将杂讯滤除送至UC3845的脚位3，即可检测流经功率开关的电流，当输入电压达额定时，UC3845将会调节其PWM讯号，并限制其峰值电流，达到输入过电流保护的目的。 (4) 本文定电压电路规格如下：输入电压为直流160V，输出电压 14.4V，输出电流限制10A，电路工作频率为100kHz，根据上述公式设计定电压电路所需参数，并透过Isspice仿真及实作验证此电路的可行性，图9为本文在电路仿真时的定电压电路图，所有参数皆依照实际状况设定。图10为Isspice仿真输出电压波形，其输出电压确实稳压於14.4V，图11为利用Isspice类比后的功率开关闸极波形Vgs与汲源极波形Vds。图 12为实测电路启动瞬间的输出电压波形，输出电压没有如仿真时所产生的过大超过量，因此不会造成电池充电时额外的负担。图 13为半载时定电压实作电路的输出电压、电流与开关讯号的波形。图14为实测定电压电路的负载稳压曲线，调整电子负载范围由0A至10A，虽然输出电压随输出电流增加而减少，但仍在允许范围内。表1为满载时定电压电路电压、电流及效率的量测结果。 维修工具http://www.xlgzj.com 图9. Isspice定电压仿真电路图 图10. 定电压电路Isspice仿真输出电压波形图 图11. 定电压电路Isspice仿真开关驱动讯号波形图 图12. 定电压电路实测启动时输出电压波形 图13. 定电压电路实测波形图 图14. 定电压电路负载稳压曲线图 Vin(V) Iin(A) Pin(W) Vout(V) Iout(A) Pout(W) η(%) 157.3 1.07 168.3 14.26 9.98 142.3 84.5 表1. 定电压电路实测纪录 针对定电流电路本文使用TSM101电压/电流控制晶片，并结合PC817光耦合器隔离回授，达到电气隔离的效果；此电路也是采用顺向式转换器的架构，图15为TSM101典型应用电路。透过R1和R2分压将此电压与IC内部的参考电压1.24V做比较，完成回授稳压的功能，此分压电阻的阻值可由式（5）求得。而TSM101也具有电流回授的功能，利用IC的脚位1所产生的参考电压1.24V，连结R3、R4分压电阻，将此分压结果送回IC脚位5的内部比较器，作为电流比较的基准值Vsence，并藉由电流侦测电阻R s将输出电流转为电压，连接内部比较器的反向输入端与基准值做比较，当输出电流大於基准值Vsence，TSM101控制光耦合器导通，给予UC3845控制PWM讯号的依据，完成定电流的目的，透过式（6）、式（7）即可计算出R3、R 4及侦测电阻Rs。 维修配件http://www.xlgzj.com (5) (6) (7) 图15. TSM101应用电路 由上述公式，可求得设计定电流电路所需的参数，本文设计的定电流电路规格如下：输入电压160V，输出电压14.4V，电路工作频率100kHz，由於实测的定电流电路，当输出电流达10A 时，其电路存在相当大的压降，故本文输出电流设为4.5A。图16 为定电流电路随负载改变时其电压、电流的变化曲线。当负载未达额定时输出电流随负载增大而增加，当负载达额定时输出电流维持固定4.5A，输出电压则随负载增大而减少，如此便可得到一稳定的充电电流。 图16. 测定电流电路输出特性曲线图 车用锂电池充电器量测 车用锂电池充电器不仅需具备高效率及高安全性，为提高电池使用寿命，充电阶段更需要精确的量测电池状态，作为充电控制的依据。本文研制的充电器结合定电压、定电流充电电路，并加入PSoC充电控制模组，量测电池状态切换充电模式，完成高安全性的智慧型充电器。图17为实测车用锂电池充电器的充电曲线，初期以5A定电流充电，当电池电压达额定14.3V则切换为定电压14.4V充电，直到充电电流小於0.01C则停止充电，其充电曲线与目标值吻合。 图17. 车用锂电池充电器之实测图 结论与讨论 本文所研制的车用锂电池充电器，应用转换器技术制作定电压及定电流充电电路，并加入电脑仿真软体Isspice仿真相关电路验证其可信性。透过电池特性量测分析，掌握充放电对电池的影响，设计符合其电池规格的充电器，降低充电时对电池所造成的负担，提高电池使用寿命。结合PSoC充电控制模组，完成精确充电模式控制。根据充电器实测结果，本文设计的充电器相较于厂商提供的充电器，其充电特性曲线更符合锂电池安全规范。但本文所制作的定电流充电电路仍有改善空间，因电路的压降问题存在，目前仅提供5A的充电电流，若将充电电流提升为10A充电将能提高充电效率。日后目标朝向研制适用负载范围更广、更高输出功率转换器，实现效率更高的锂电池充电器。(责任编辑：admin) |
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