一種高性價(jià)比的11.1V鋰電池充電器的設(shè)計(jì)方案

1.引言

11.1V鋰電池常用于涵道機(jī)、固定翼、直升機(jī)等航模中，具有放電穩(wěn)定，工作溫度寬;允許較大的充電電流、充電速度快，僅需1~2個(gè)小時(shí)就可以充滿;無記憶效應(yīng);自放電率低，儲(chǔ)存壽命長;能量高、儲(chǔ)存能量密度大;輸出電壓高(單節(jié)鋰電池的額定電壓一般為3.6V,而單節(jié)鎳氫和鎳鎘電池的電壓只有1.2V)等優(yōu)點(diǎn)。但鋰電池在使用過程中也存在嬌氣的一面。在對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)要防止過度充電，如果充電電壓高于規(guī)定電壓或充電電流大于規(guī)定電流，就會(huì)損壞鋰電池或者使之報(bào)廢。在過充電的情況下，能量過剩鋰電池溫度上升，電解液將分解產(chǎn)生氣體，使之內(nèi)壓上升而導(dǎo)致自燃或破裂的危險(xiǎn)。通常單節(jié)鋰電池的終止充電電壓為4.2V,精度控制在±1%之內(nèi)，充電電流不大于1C(C代表充放電速率，1C代表電池正好在1小時(shí)內(nèi)，充滿電或放完電所要求的速率)。鋰電池在使用時(shí)也要防止過度放電，過度放電會(huì)導(dǎo)致電池特性及耐久性變差，可充電次數(shù)降低。通常要求放電電流不大于2C,終止放電電壓控制在2.4~2.7V左右。

2. 充電電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

鋰電池在充電過程中需要控制它的充電電壓和充電電流并精確測(cè)量電池電壓，根據(jù)鋰電池電壓將充電過程分為四個(gè)階段。每個(gè)階段的需要用不同的電壓和電流進(jìn)行充電，下面以單節(jié)鋰電池為例分別說明每個(gè)階段的狀態(tài)。階段一為預(yù)充電，先用0.1C的小電流對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電池電壓≥2.5V時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段二為恒流充電，用1C的恒定電流對(duì)鋰電池快速充電，點(diǎn)電池電壓≥4.2V時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段三為恒壓充電，逐漸減小充電電流，保證電池電壓恒定=4.2V,當(dāng)充電電流≤0.1C時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段四為涓流充電，恒壓充電結(jié)束后，電池已經(jīng)基本充滿，為了維持電池電壓，可以用0.1C甚至更小的電流對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，到此鋰電池充電過程結(jié)束。

3.充電器的硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有微控制器、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、電池狀態(tài)指示電路和充電控制電路組成，電路原理圖如圖1所示。

3.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用ATmega8作為控制核心。

ATmega8是AVR一款高性能、低功耗的微處理器。它采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，共有130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，具有32個(gè)8位通用工作寄存器，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS;只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器;8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash;獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū);512字節(jié)的E2PROM;1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM;兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;23個(gè)可編程I/O口;8路10位ADC;三通道PWM;實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC;面向字節(jié)的兩線接口;兩個(gè)USART接口;可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI接口;片內(nèi)看門狗定時(shí)器;片內(nèi)模擬比較器等內(nèi)部資源。

3.2 電壓檢測(cè)電路

由于ATmega8的ADC的參考電壓設(shè)置為3.072V,而電池在充電過程中電壓可以高達(dá)12.6V,因此需要將電池電壓按比例縮小后才能送入ATmega8的ADC口進(jìn)行采集。

本電路由一個(gè)同相器和20K的可調(diào)電阻構(gòu)成，電池電壓輸入到由LM324構(gòu)成的同相器后，經(jīng)同相器隔離緩沖后輸出到20K的可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使輸入到ATmega8的ADC口的電壓為電池電壓的五分之一。[!--empirenews.page--]

3.3 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路由一個(gè)1Ω/1W的檢測(cè)電阻和一個(gè)同相器構(gòu)成。充電電流在流經(jīng)檢測(cè)電阻時(shí)將產(chǎn)生壓降，同過測(cè)量檢測(cè)電阻的電壓即可獲知充電電流的大小，同相器起到隔離緩沖的作用。

3.4 電池狀態(tài)指示電路

電池狀態(tài)指示電路由一個(gè)綠色和一個(gè)紅色的發(fā)光二極管構(gòu)成，用來指示電池的狀態(tài)。紅色和綠色發(fā)光二極管都亮為待機(jī)狀態(tài)，未接入電池;紅色發(fā)光二極管單獨(dú)亮為預(yù)充電狀態(tài);紅色發(fā)光二極管閃爍為快速充電狀態(tài);綠色發(fā)光二極管閃爍為恒壓充電狀態(tài);綠色發(fā)光二極管單獨(dú)亮為涓流充電狀態(tài)，即此刻電池已經(jīng)充滿。

3.5 充電控制電路

充電控制電路采用PWM方式控制充電電壓和充電電流，PWM的分辨率為9位，開關(guān)頻率為2KHz.在未接入電池時(shí)調(diào)節(jié)R1使BAT+端的電壓為12.975V,當(dāng)BAT+端的電壓小于12.8V時(shí)表示電池已經(jīng)接入。R1還可以在充電結(jié)束時(shí)，提供涓流充電的小電流。

4.充電器的控制軟件設(shè)計(jì)

在本控制軟件中，控制程序采用多工序結(jié)構(gòu)，將整個(gè)充電過程分為5個(gè)狀態(tài)，在各個(gè)狀態(tài)滿足一定條件后，遷移到另一狀態(tài)。

5.結(jié)語

本文給出了一種高性價(jià)比的11.1V鋰電池充電器的設(shè)計(jì)方案，該方案討論了充電器的電路結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思想，介紹了鋰電池充電的控制方法， 以ATmega8作為控制核心，對(duì)充電過程進(jìn)行全面管理，通過對(duì)充電電流、電壓的自動(dòng)檢測(cè)與調(diào)整， 完成對(duì)不同充電階段的精確控制及充滿后的自動(dòng)停充。最后，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該充電器可安全地進(jìn)行鋰電池的快速充電，耗時(shí)約1h,比一般充電器(2~3h)的充電速度有顯著提高，從而有效縮短了鋰電池的充電時(shí)間。