Σχεδίαση Φορτιστή Μπαταριών Ιόντων Λιθίου

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη της σχεδίασης ενός συστήματος φόρτισης μπαταριών Ιόντων Λιθίου και συγκεκριμένα των μπαταριών Ιόντων Λιθίου που έχουν ως υλικό καθόδου το LiFePO4. Αρχικά γίνεται παρουσίαση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων των μπαταριών που πρόκειται να φορτιστούν. Μέσα από αυτή τη μελέτη γίνεται εμφανής ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να φορτίζονται οι μπαταρίες LiFePO4. Κατά τη σχεδίαση του συστήματος φόρτισης αναλύονται όλα τα επιμέρους υποσυστήματα. Επίσης σε κάθε βήμα σχεδίασης ενός υποσυστήματος γίνεται μελέτη εναλλακτικών μεθόδων υλοποίησης, έτσι ώστε να αναδειχθεί ο λόγος επιλογής του τελικού κυκλώματος. Τα υποσυστήματα του φορτιστή είναι το διακοπτικό τροφοδοτικό σταθερού ρεύματος/σταθερής τάσης (CCCV), το κύκλωμα απομόνωσης της τάσης των επιμέρους κελιών από ένα battery pack, το κύκλωμα ισοστάθμισης, το κύκλωμα υπολογισμού της κατάστασης φόρτισης, η ανίχνευση υπερθέρμασης για διακοπή της φόρτισης και τέλος, ο μικροελεγκτής του φορτιστή, ο οποίος θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ο εγκέφαλος του συνολικού συστήματος. Αφού μελετηθεί και σχεδιαστεί το κάθε επιμέρους κύκλωμα, στο τέλος παρουσιάζεται η σύνδεση όλων των υποσυστημάτων για να προκύψει το ζητούμενο σύστημα φόρτισης.

The purpose of this thesis is the design of a Lithium-Ion battery charger and battery management system. Physical, chemical and technical characteristics of Lithium-Ion batteries are analyzed and in particular, those which have LiFePO4 as cathode material. After this analysis, we can conclude to the exact charging method for Lithium-Ion based batteries, which is constant current/ constant voltage (CCCV) method. During this thesis, the charger is divided into six subsystems, and each system is being analyzed separately. These subsystems are the CCCV power supply, the voltage isolation circuit, the voltage balancing circuit, the State Of Charge computing circuit, the temperature monitoring circuit and the charger's micro-controller. Finally, all subsystems are connected together and the result is the final circuit of the charging system.