摘 要： 基于LPC936微控制器，采用高頻開關電源技術設計了一款輸出電壓電流可調的智能充電電源，并根據磷酸鐵鋰電池充電過程的電化學特性，提出了改進型的磷酸鐵鋰電池恒壓恒流充電方法。實驗結果證明，該充電電源可按預置的給定充電曲線自動控制充電過程，充電過程電池溫升低。該充電電源具有體積小、免維護和高效節能等優點。
關鍵詞： 磷酸鐵鋰電池；充電方法；LPC936；開關電源；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、質量輕和循環壽命高等優點，鋰電池將在今后的動力電池市場上占有越來越大的市場份額。鋰電池中的磷酸鐵鋰電池在最近幾年逐漸成為動力電池和備用電源的主要應用電池。相比于其他動力電池，磷酸鐵鋰電池具有很大的優勢，并且已經得到了很廣的生產和應用，就目前而言，其被認為是未來電動車最理想的動力電池。因此，對磷酸鐵鋰電池充電特性研究，并基于此設計開發的磷酸鐵鋰電池充電電源具有很高的市場價值。
1 磷酸鐵鋰電池充電方法
電池充電是一個非常復雜的過程，其復雜性主要表現在其多變量、非線性時變和離散性。影響磷酸鐵鋰電池充電特性的因素很多，如活性物質活度、電池初始荷電狀態、溫度、電池使用歷史、電池極化現象和充電電流大小等。充電方法[2]的研究在電池研究領域占有很重要的地位。對于水溶液電解質蓄電池，傳統的充電方法有：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脈沖充電等。目前，市面上的磷酸鐵鋰電池充電電源常規的充電方式有恒壓充電和恒流限壓充電兩種。恒壓充電要嚴格定義充電電壓，電壓過低會導致電池充不滿電，過高則會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，當端電壓達到一定值時，改為恒壓充電，恒流階段電流過低，則會導致充電時間延長，時效低，電流過大，對于過放電的電池將會導致嚴重的損害。
與水溶液電解質電池不同的是，磷酸鐵鋰電池[3]是以橄欖石結構的LiFePO4作為正極，以碳材料作為負極，正負極之間用聚合物隔膜隔開。磷酸鐵鋰電池充電放電化學過程如下。
充電反應：
LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+（1-x）LiFePO4
放電反應：
FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+（1-x）FePO4
磷酸鐵鋰電池充電過程中，鋰離子Li+從正極遷移到負極，實驗表明，對于單體電池，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。因為磷酸鐵鋰電池不具有水溶液電解質蓄電池常有的過充保護機制，如果繼續充電，將會導致電池端電壓急劇上升，這樣會使得電池過充。一旦過充電，在正極由于鋰離子的過多脫出而發生不可逆的結構性變化，負極上可能會產生金屬鋰的表面析出，而且可能會發生隔膜分解等副反應，由此導致電池循環使用壽命的急劇減少。放電過程中，鋰離子從負極遷移到正極，放電電壓過低時，即鋰離子幾乎完全與FePO4結合形成LiFePO4，電池供電能力極弱，當電池電量很低時，不宜采用大電流充電，否則會導致電池內部結構性變化從而減少電池循環使用壽命，并且對于磷酸鐵鋰電池，大電流充電極易導致電池電量不能充滿。靜置后滿電量磷酸鐵鋰單體電池標稱電壓為3.2 V。
基于磷酸鐵鋰電池的化學特性，本設計采用改進型的恒流恒壓式充電方法，對于磷酸鐵鋰單體電池，當單體電池電壓小于2.5 V時采用0.8 A（0.1 C）小電流涓流充電；當電池電壓大于2.5 V時采用2.4 A（0.3 C）電流恒流充電，充至給定電壓為3.65 V時轉入恒壓充電。此時，充電電流將不斷下降，當下降到0.8 A（0.1 C）時，停止充電，認為充電完成。由于設計中的電池是由16節單體電池串聯構成，如圖1所示，當電池電壓小于40 V時采用0.8 A電流涓流充電，大于40 V進入恒流階段，采用2.4 A電流充電，充至給定電壓為58.4 V時轉入恒壓充電，當充電電流下降到0.8 A時認為充電完成，雖然磷酸鐵鋰電池自放電小，但仍然存在自放電現象，在充電結束之前，以0.8 A電流定時充電10 min，磷酸鐵鋰電池充電曲線如圖1所示。
2 充電電源電路設計
根據上述分析而設計的智能型磷酸鐵鋰電池充電電源[4]，主要由以高頻開關電源[5]為核心的功率部分和以單片機為核心的控制部分組成。
充電電源總體結構如圖2所示，電網電壓經過輸入整流濾波電路，輸出300 V左右的直流電，再經過半橋拓撲電路輸出的直流電給蓄電池充電，對輸出端的輸出電壓和輸出電流采樣，并經過運放隔離后送至單片機A/D轉換引腳，其中，負的電流采樣后經過霍爾電流傳感器處理。根據蓄電池充電的不同階段，由單片機輸出兩路相位相差180°的合適占空比的PWM，兩路PWM經過隔離驅動電路后送至MOSFET管的柵極作為控制信號，控制輸出端的電壓和電流，并將充電的狀態實時顯示出來。
2.1 輸入整流濾波電路
本設計采用交流220 V輸入，經過共模扼流圈和整流橋，輸出300 V左右的直流電壓。具體電路設計如圖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
設計的半橋電路原理圖如圖4所示。300 V直流電壓經過R3、R4、C7、C8精準分壓，其中R3=R4=51 k?贅，R1、R2確保開關管可靠關斷；D1、D2有效地抑制變壓器原邊開通和關斷瞬間產生的尖峰電壓；串聯耦合電容C9防止偏磁現象的發生，經計算，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點，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，根據法拉第定律可知，得原邊最小線圈匝數的計算式為：
其中，Np為初級線圈匝數，Vp為原邊線圈電壓，ton為每周期導通時間，?駐B為磁通密度增量，Ae為磁芯最小面積。最大導通時間為開關周期的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為最大導通時間8 ?滋s；允許電網電壓上下波動為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；根據工程經驗，?駐B取0.4 T。最小初級匝數Np為：
對應的線徑為0.518 mm，根據線徑對照表，并留一定的裕量，取線號為AWG#23，線徑為0.574 mm。
同理可知，變壓器副邊繞組選取線號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 隔離驅動電路
圖5為隔離驅動電路。LPC936單片機輸出兩路相位相差180°的PWM信號，為了防止開關電源部分對單片機PWM干擾，設計中采用兩片6N137對PWM信號進行光耦隔離，隔離后的PWM信號再送至IR2110進行功率放大，以驅動功率管IRFP460。
D5和C16構成了自舉電路[6]，使得Q1有效工作，自舉法是功率MOSFET管驅動簡單而有效的方法。高壓側自舉供電，整個電路只需要一個電源，簡化了電路，減少了成本。此電路的關鍵在于自舉電容和自舉二極管的選取。
自舉二極管D5應選擇高頻的快恢復二極管，本文選擇耐壓700 V的UF4007。經計算和反復調試，自舉電容C16選擇0.15 ?滋F。
3.4 控制電路
該系統的控制器采用LPC936單片機，對充電過程進行控制，以單片機為核心的控制部分主要完成3個功能：（1）對給定的電壓和電流進行采樣，實現A/D轉換；（2）根據采樣的電壓和電流的大小，給出兩路占空比可變的PWM信號；（3）對充電狀態進行顯示，包括紅綠指示燈顯示，充電電壓電流顯示。設計中LPC936單片機28個引腳的模式和功能如表1所示。
4 充電電源系統軟件設計
根據磷酸鐵鋰電池的充電特性，將電池充電過程分為預充電、恒流充電、恒壓充電和定時充電4個階段。軟件流程圖如圖6所示。
為了使得輸出電壓和電流能動態跟蹤給定電壓電流曲線，本設計采用電壓、電流雙閉環PI控制系統，由于增量式PI有計算量小等優點，故采用增量式PI控制算法。兩個恒流充電過程中，調用電流PI控制；恒壓充電過程中，調用電壓PI控制。流程圖如圖7所示。
5 實驗結果與分析
實驗中以標稱電壓為51.2 V的磷酸鐵鋰電池為充電對象，在鋰電池不同初始電量情況下進行多次充電實驗，實驗結果如表2所示。實驗結果顯示，各充電階段能夠穩定切換，電池充電過程總溫升較低，由于電池充電過程存在極化現象，充電結束后，電池靜置過程中，電壓緩慢下降，經過10 h靜置后的電池電量基本維持在51.2 V左右。
實驗結果表明，4階段的充電方式、充電電源硬件電路和軟件的設計合理，另外，該充電系統具有很強的可移植性，對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，便可滿足充電需求。
最后，為了進一步驗證和直觀地展現充電過程，本文在MATLAB環境下，基于初始端電壓為38 V的磷酸鐵鋰電池的理想PNGV模型[7]對于電池充電預充電階段、恒流階段、恒壓階段做了充電仿真實驗。其充電電壓，電流仿真結果分別如圖8和圖9所示，仿真結果更加直觀地顯示了充電的整個過程。
本文基于磷酸鐵鋰電池的電化學特性，提出了改進型的4階段充電方法，并針對16節8 Ah的磷酸鐵鋰電池設計開發了充電電源，具有很好的應用和市場價值。
參考文獻
[1] 白永志，曹龍漢，李建勇.鋰離子電池充電方法研究[J].重慶通信學院學報，2003（4）：77-80.
[2] 尹政，張鵬波，楊永廣，等.車用鋰電池充電技術綜述[J].內燃機與動力裝置，2010（3）：1-6.
[3] 徐偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設計[D].重慶：重慶大學，2010.
[4] 毛常亮，殳國華，張仕文.基于68HC08 MCU的智能充電器的設計[J].電力電子技術，2007（7）：45-49.
[5] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.
[6] 孫鵬飛.動力磷酸鐵鋰電池充電電源的設計與開發[D].山東：山東理工大學，2012.
[7] 韓宗奇，劉吉良，朱洪波，等.典型溫度下磷酸鐵鋰電池PNGV模型研究[J].燕山大學學報，2012（2），248-253.