CN102621500A - 锂电池充放电检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池充放电检测装置，包括电池组，所述电池组连接有电流检测部分、温度保护部分、电压检测部分及放电电路部分；所述温度保护部分、所述电压检测部分及所述放电电路部分连接于开关管控制电路，所述开关管控制电路连接有所述电池组及充电电路部分；所述放电电路部分及PC连接于MCU，所述MCU连接有所述电池组及所述充电电路部分。在锂电池充放电过程中，实时采集锂电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持锂电池充放电运行的可靠性和高效性，可用于锂池检测单位。

Description

锂电池充放电检测装置

技术领域

本发明涉及电子仪器仪表领域的一种锂电池充放电检测装置。

背景技术

锂离子电池产量不断扩大的同时，其高容量超薄技术开发与质量检测和品质跟踪也越来越受到业界的重视。锂离子电池的应用很大程度上取决于其充放电循环的稳定性，而与其他二次电池一样，锂离子电池经多次充放电循环后，容量减少是难以避免的。导致容量衰减的原因有很多，有材料方面的，也有制造工艺方面的因素。因此，对锂电池的检测就显得非常的重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种锂电池充放电检测装置。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

锂电池充放电检测装置，包括电池组，所述电池组连接有电流检测部分、温度保护部分、电压检测部分及放电电路部分；所述温度保护部分、所述电压检测部分及所述放电电路部分连接于开关管控制电路，所述开关管控制电路连接有所述电池组及充电电路部分；所述放电电路部分及PC连接于MCU，所述MCU连接有所述电池组及所述充电电路部分。

进一步的，所述电流检测部分连接于所述温度保护部分。

进一步的，所述MCU连接于所述电压检测部分。

本发明的有益效果是:

在锂电池充放电过程中，实时采集锂电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持锂电池充放电运行的可靠性和高效性，可用于锂池检测单位。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 整体结构示意图；

图2 MCU控制电路图；

图3 MCU 5V电源电路图；

图4 锂电池充电电源电路图；

图5 CD4051内部结构图；

图6 电压模拟切换开关；

图7 放电通道切换开关；

图8 温度通道切换开关；

图9 RS232通信接口电路；

图10 智能充电电路；

图11 DS1820多点测温电路

图中标号说明：1、电池组，2、电流检测部分，3、温度保护部分，4、电压检测部分，5、放电电路部分，6、开关管控制电路，7、MCU，8、PC，9、充电电路部分。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，锂电池充放电检测装置，包括电池组1，所述电池组1连接有电流检测部分2、温度保护部分3、电压检测部分4及放电电路部分5；所述温度保护部分3、所述电压检测部分4及所述放电电路部分5连接于开关管控制电路6，所述开关管控制电路6连接有所述电池组1及充电电路部分9；所述放电电路部分5及PC8连接于MCU7，所述MCU7连接有所述电池组1及所述充电电路部分9。

进一步的，所述电流检测部分2连接于所述温度保护部分。

进一步的，所述MCU7连接于所述电压检测部分4。

防止锂离子电池出现过充电或过放电状况，是锂离子电池寿命延长的一个很重要的手段；也是保证锂离子电池的安全性能的一个必要的措施。避免出现电池特性恶化现象，必须在锂离子电池组中安装保护电路。同时为了使得锂离子电池能够稳定可靠地为设备提供能量，对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。

本发明从锂离子电池工作原理入手，通过对锂离子电池特性认识以及充电方法的研究，分析了锂离子电池的充电过程，并在此基础上完成了一款多通道锂离子电池充放电检测系统的设计。

通过对锂离子电池特性认识以及充电方法的研究，分析了锂离子电池的充电过程，并在此基础上完成了一款多通道锂离子电池充放电检测系统的设计。该系统采用两级控制方式，上层为PC机，下层为本检测系统设备。上位机采用VB编写，具有数据存储和处理功能，人机交互界面，操作非常方便，而且易于扩展。下位机采用ADμC812单片机对8路锂离子电池进行充放电检测，采用充电芯片MCP73826对充电过程进行管理，并将采集的电流、电压信号，送到上位机对数据进行处理。锂离子电池检测硬件和软件系统的设计过程。

系统的主要功能就是对八路锂离子电池进行充放电检测。采用ADμC812单片机与充电芯片MCP73826相结合的方式，进行充电管理，放电由专门的放电电路组成，软件主要包括数据采集模块、充电模块、温度控制模块、放电模块、通信模块等。在设计软件时尽量采用模块化结构，根据实现的功能和各功能间的联系，确定各模块的功能，参数的传递。方便于修改、阅读及维护，有利于软件的扩展。

 

一.锂电池检测硬件系统

该检测系统主要由电源模块、模拟输入多路转换单元、模数转换单元、数据处理单元及串行通信接口等部分组成。硬件系统框图如图1所示。

MCU控制电路

美国ADI（Analog Device Inc. 模拟器件）公司推出的ADμC类芯片，虽然将ADC、DAC以及单片机高度集成在一起，但其核心仍然是单片机内核。ADμC812除了其单片机内核外，还集成了一个8通道12位模数转换器ADC和两个12位的DAC。这使得用户数据采集系统的开发变得非常方便。

比传统的ADC芯片的工作方式灵活得多，这使得用户利用ADμC812开发数据采集系统非常方便。其控制电路图2所示。

系统电源设计

单片机ADμC812V电源使用5V电源为其数字电路部分供电，且需要5V电压基准源提供模数转换参考电压如图3所示。锂电池的充电电源为5V的LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。采用了四组LM2575给8组锂电池充电所要。如图4所示。

3.模拟输入通道切换单元

可以同时检测8个的锂离子电池，为此需要实现多路输入电压的切换功能，本系统设计中选用多片CMOS模拟多路转换器CD4051实现此功能。CD4051的结构框图如图5所示。

 

S为低电平时才能选中某一通路。A2~A1: 000~111，选中0~7通路上的开关处于闭合。CMOS开关可双向工作，即可作为8入1出，也可作为1入8出。该款模拟开关具有较低的导通电阻和很高的断开电阻。若A/D转换器的速度比较模拟信号变化速度高很多倍, 则在A/D芯片之前可不加采样保持电路。可将模拟信号直接加到A/D转换器上。

电压和电流设计如图模拟切换开关如图6所示。锂电池放电和温度通道如图7和图8所示。

通过放电模拟开关连接一个适当的电阻如图7所示R231即为放电电阻，在电阻选择时，选择了耐高温的碳膜电阻。该放电电路为1000mA，故电阻的阻值为R=(4.2-0.6)/1A=3.6Ω。采用的10个36Ω的电阻，从而避免了电阻过热现象。为了实现模拟开关的有效的控制，一端接电池，一端接放电电路。当电压小于3V，则关断电路，从而实现过保护。

 

4．RS232通信接口电路设计

一个完整的RS-232接口有22根线。在使用PC机和单片机进行直接通信时，一股选用PC机端的9针串口，因此RS-232只需要少数几根线即可正常工作。单片机和PC机就可以分别对异步通信电路芯片编程，设置成不需要任何联络或握手信号、直接进行数据交换的方式。RS-232二线式直接数据通信接口如图9所示。

5．智能充电电路设计

充电电路使用的是MCP73826 是线性充电管理控制器，从而大简化了充电器的设计，适用于空间小而对成本敏感的应用场合。MCP73826 在节省空间的 6 引脚 SOT-23A 封装中整合了高精度恒压以及可控电流调节、电池预充等功能。

MCP73826 分三个阶段对电池进行充电： 预充、可控电流充电以及恒压充电阶段。如果电池电压低于内部低电压门限值，器件将采用涓流电流对电池进行预充。 该预充阶段可对锂离子电池进行保护，使其散热量最小。在预充阶段之后， MCP73826 进入可控电流充电阶段。MCP73826 通过外部检测电阻可对充电电流进行编程，从而实现灵活的应用设计。根据电池电压，充电电流从涓流电流开始上升，直至达到由检测电阻建立的峰值电流。该阶段将持续到电池电压达到充电稳定电压值为止。随后， MCP73826 进入最后阶段，即恒压充电阶段。在器件的整个工作温度范围及电源电压范围内，稳压精度均优于 ±1% 。 MCP73826-4.1 的稳定电压预置为4.1V，而 MCP73826-4.2 为 4.2V。MCP73826 的工作电压范围为 4.5V 至 5.5V。在整个环境温度范围 -20°C 至 +85°C 内， MCP73826 均可正常工作。

充电电流检测输入（VSNS）充电电流是通过外部高精度检测电阻两端的电压来检测的。 检测电阻应置于电源输入端（VIN）和外部晶体管的源极之间。阻值为 50m的检测电阻可产生典型值为 1 A 的快速充电电流。充电电路如图10所示。

该检测装置该采用8个智能充电模块。对8个充电通道进行实时充电管理。

（VBAT1到VBAT8表示8个锂电池通道，VBAT1表示1通道，在整体电路图省去其余七个通道）。

6．温度采集电路设计

电池检测过程中，温度是一个很重要的参数。当锂电池的温度超过一定数值时可能会发生爆炸等危险。这就要求检测系统实时的检测电池的温度，当温度超过额定值马上停止工作，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 温度连接示意图如图11所示。

二、系统功能模块说明

1. 数据采集模块

八路锂离子信号通过CD4051进行选择，（由单片机引脚P0.0、P0.1、P0.2决定）信号通过ADC812内部的12位A/D完成对电压、电流、温度的检测。

1)电压采集

ADμC812定期采样充电芯片引脚VBAT的电压值，送入A/D进行转换。

2)电流采集

输出电流Ｉ＝VSNS-VBAT／RSEN。ADμC812定期采样充电芯片引脚VSNS的电压值，电流。

2．充电模块

采用MCP73826充电芯片管理充电部分,在充电过程中，如果电池电压低于预充电压门限值，该值典型情况下为 2.4V， MCP73826 将采用涓流电流对电池进行预充电。预充可安全地对已经耗尽的电池进行再充电，并在初始充电周期时使外部晶体管的散热量最小。当电池电压超过预充电压门限值时，预充阶段结束，电池进入快速充电阶段。外部检测电阻两端的压降和输出电压VBAT并会在VSNS入引脚上产生电位，根据该电位产生监听电流对电池进行快速充电。在电池电压达到稳定电压之前，电池将持续进行快速充电。引脚VBAT连接到电池的正极,当VBAT引脚电压为4.2V，则进入恒压充。SHDN引脚如果为0，则切断充电回路，该引脚电平由单片机控制。VDRV引脚用来控制充电电流的大小，当需要改变电流大小时，通过此引脚的电平改变，来改变MOS管的导通与截止，实现了PWM控制。从而改变了充电电流的大小。检测充电电流的大小，可以根据VSNS点的电位还判断是否充电已结束。其中，充电电流由精密电阻RSEN决定，门限电压VCS的典型值为53mv，要产生1A的快速充电电流，只要选用RSEN为50mΩ即可。

温度控制模块

由于锂电池充电时，温度会不断升高，锂电池工作温度范围是0度到55度之间，当充电温度超过锂电池的工作温度范围时，锂电池有可能发生爆炸。所以温度检测是保证锂离子电池安全充电很重要的环节。由于MCP73826内部不带温度检测，系统采用DS18B20贴在锂电池表面，当锂离子电池充电时，如果温度超过了工作温度范围，由单片机发出控制信号，充电芯片切断充电回路，从而达到保护锂电池的目的。

4．放电模块

放电过程由单片机控制放电回路，当上位机发出放电命令时，单片机相应引脚输出高电平，MOS管处于饱和状态，锂离子电池进行恒流放电。单片机每1s采样R上的电压VBAT，将其送入A/D进行转换。放电定时由上位机来控制。利用电池容量计算公式C=I*t，计算出来的C值与标称容量进行比较，如果C>=标称容量，则锂电池容量符合要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.锂电池充放电检测装置，包括电池组（1），其特征在于：所述电池组（1）连接有电流检测部分（2）、温度保护部分（3）、电压检测部分（4）及放电电路部分（5）；所述温度保护部分（3）、所述电压检测部分（4）及所述放电电路部分（5）连接于开关管控制电路（6），所述开关管控制电路（6）连接有所述电池组（1）及充电电路部分（9）；所述放电电路部分（5）及PC（8）连接于MCU（7），所述MCU（7）连接有所述电池组（1）及所述充电电路部分（9）。

2.根据权利要求1所述的锂电池充放电检测装置，其特征在于：所述电流检测部分（2）连接于所述温度保护部分。

3.根据权利要求1所述的锂电池充放电检测装置，其特征在于：所述MCU（7）连接于所述电压检测部分（4）。

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