鋰離子電池智能充電器硬件的設(shè)計(jì)

   鋰離子電池具有較高的能量重量和能量體積比，無記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命長，價(jià)格也越來越低。一個(gè)良好的充電器可使電池具有較長的壽命。利用C8051F310單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能充電器，具有較高的測量精度，可很好的控制充電電流的大小，適時(shí)的調(diào)整，并可根據(jù)充電的狀態(tài)判斷充電的時(shí)間，及時(shí)終止充電，以避免電池的過充。

    本文討論使用C8051F310器件設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器的。利用PWM脈寬調(diào)制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源，以適應(yīng)不同階段的充電電流的要求。溫度傳感器對電池溫度進(jìn)行監(jiān)測，并通過AD轉(zhuǎn)換和相關(guān)計(jì)算檢測電池充電電壓和電流，以判斷電池到達(dá)哪個(gè)階段。使電池具有更長的使用壽命，更有效的充電方法。

設(shè)計(jì)過程

1 充電原理

    電池的特性唯一地決定其安全性能和充電的效率。電池的最佳充電方法是由電池的化學(xué)成分決定的（鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是SLA電池等）。盡管如此，大多數(shù)充電方案都包含下面的三個(gè)階段：

● 低電流調(diào)節(jié)階段
● 恒流階段
● 恒壓階段/充電終止

所有電池都是通過向自身傳輸電能的方法進(jìn)行充電的，一節(jié)電池的最大充電電流取決于電池的額定容量（C）例如，一節(jié)容量為1000mAh的電池在充電電流為1000mA時(shí)，可以充電1C(電池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的電流給電池充電。盡管如此，這只是一個(gè)普通的低電流充電方式，不適用于要求短充電時(shí)間的快速充電方案。

現(xiàn)在使用的大多數(shù)充電器在給電池充電時(shí)都是既使用低電流充電方式又使用額定充電電流的方法，即容積充電，低充電電流通常使用在充電的初始階段。在這一階段，需要將會(huì)導(dǎo)致充電過程終止的芯片初期的自熱效應(yīng)減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級(jí)階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲(chǔ)的。在電池充電的最后階段，通常充電時(shí)間的絕大部分都是消耗在這一階段，可以通過監(jiān)測電流、電壓或兩者的值來決定何時(shí)結(jié)束充電。同樣，結(jié)束方案依賴于電池的化學(xué)特性，例如：大多數(shù)鋰離子電池充電器都是將電池電壓保持在恒定值，同時(shí)檢測最低電流。鎳鎘、NiCd電池用電壓或溫度的變化率來決定充電的結(jié)束時(shí)間。

圖1 鋰離子電池充電模塊圖

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   充電時(shí)部分電能被轉(zhuǎn)換成熱能，直至電池充滿。而充滿后，所有的電能將全部被轉(zhuǎn)換成熱能。如果此時(shí)不終止充電，電池就會(huì)被損壞或燒毀?？焖俪潆娖麟姵兀ㄍ耆錆M的時(shí)間小于兩小時(shí)的充電器）則可以解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@些充電器是使用高充電電流來縮短充電時(shí)間的。因此，對于鋰離子電池來說,監(jiān)測它的溫度是至關(guān)重要的，因?yàn)殡姵卦谶^充電時(shí)會(huì)發(fā)生爆裂，在所有的充電階段都應(yīng)該隨時(shí)監(jiān)測溫度的變化，并且在溫度超過最大設(shè)定值時(shí)立即停止充電。

2 總體設(shè)計(jì)

    充電電路由三部分：控制部分，檢測部分及充電部分組成。如圖1所示，采用F310單片機(jī)進(jìn)行充電控制，單片機(jī)本身具有脈寬調(diào)制PWM型開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能，具有10位A/D轉(zhuǎn)換器。利用單片機(jī)A/D端口，構(gòu)成電池電壓，電流，溫度檢測電路。

    單片機(jī)通過電壓反饋和電流反饋信號(hào)，直接利用PWM輸出將數(shù)字電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)，能夠保證控制精度。

3 控制部分電路設(shè)計(jì)

C8051F310單片機(jī)

①模擬外設(shè)

a.10位ADC：轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200ks/s,可多達(dá)21或17個(gè)外部單端或差分輸入，VREF可在外部引腳或VDD中選擇，內(nèi)置溫度傳感器（±3℃），外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入；

b.兩個(gè)模擬比較器：可編程回差電壓和響應(yīng)時(shí)間，可配置為中斷或復(fù)位源，小電流（〈0.5μA）。
②供電電壓

a.典型工作電流：5mA、25MHz；
b.典型停機(jī)電流：0.1μA；
c.溫度范圍：-40～+85℃。

③高速8051微控制器內(nèi)核

a.流水線指令結(jié)構(gòu)：70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；
b.速度可達(dá)25MI/s（時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)）；
c.擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。

④數(shù)字外設(shè)

a.29/25個(gè)端口I/O：所有的口線均耐5V電壓；
b.4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；
c.16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），有5個(gè)捕捉/比較模塊；
d.使用PCA或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式。

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    控制電路中如圖2所示，P0.3口提供充電電源，P0.6口檢測充電電壓的大小，P0.5口檢測充電電流的大小，P0.4口檢測電池的溫度。

     充電電流由單片機(jī)脈寬調(diào)制PWM產(chǎn)生，充電電流由AD轉(zhuǎn)換再經(jīng)過計(jì)算得出。
4 充電部分及檢測部分電路設(shè)計(jì)

圖2 控制電路接線圖

圖3為充電電路與檢測電路圖。

①充電過程曲線

圖4 鋰電池充電曲線

如圖4所示，充電過程由預(yù)充狀態(tài)，恒流充電狀態(tài)和恒壓充電狀態(tài)組成。

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②快速轉(zhuǎn)換器

實(shí)現(xiàn)漸弱終止充電器的最經(jīng)濟(jì)的方法就是用一個(gè)快速轉(zhuǎn)換器?？焖俎D(zhuǎn)換器是用一個(gè)電感和/或一個(gè)變壓器（需要隔離的時(shí)候用變壓器）作為能量存儲(chǔ)單元以離散的能量包的形式將能量從輸入傳輸至輸出的開關(guān)調(diào)節(jié)器反饋電路，通過晶體管來調(diào)節(jié)能量的傳輸，同時(shí)也作為過濾開關(guān)，以確保電壓或電流在負(fù)載時(shí)保持恒定。

                           a 開關(guān)閉合                                            b 開關(guān)打開

圖5 快速轉(zhuǎn)換器操作

     快速調(diào)節(jié)器的操作是通過控制一個(gè)晶體管開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)的。占空比會(huì)自動(dòng)增加以使電池流入更多的電流。當(dāng)VBATT<VREF時(shí)，一個(gè)比較器會(huì)將開關(guān)閉合(參見圖5a),電流流入電池和電容C,這個(gè)電流同時(shí)也存儲(chǔ)在電感L中。VBATT持續(xù)升高，直到超過VREF，調(diào)節(jié)此時(shí)比較器將開關(guān)斷開(參見圖5b),存儲(chǔ)在電感中的電流迅速下降直到二極管偏置，使得電感電流以減速度流入電池，電容C在電感電流衰減后開始放電。并且最后VBATT開始下降，當(dāng)VBATT低于VREF時(shí),比較器再次將開關(guān)閉合并開始另一次循環(huán)。在較大的范圍內(nèi)如果減小占空縮短閉合的時(shí)間，平均電壓就會(huì)下降，反之亦然。因此可以通過控制占空比的方法調(diào)節(jié)電壓或電流至所需要的值。
③電感的確定
     電感對交流電是有阻礙作用的。在交流電頻率一定的情況下，電感量越大，對交流電的阻礙能力越強(qiáng)，電感量越小，其阻礙能力越小。另外，在電感量一定的情況下，交流電的頻率越高，電感對交流電的阻礙能力越大，頻率越低，電感對交流電的阻礙能力越小。也就是說，電感有阻止交流電通過的特性。
      其工作原理是這樣的：當(dāng)負(fù)載兩端的電壓要降低時(shí)，通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用，外部電源對電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的額定電壓。當(dāng)負(fù)載兩端地電壓升高時(shí)，通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用，外部電源供電斷開，電感釋放出剛才充入的能量，這時(shí)電感就變成了電源繼續(xù)對負(fù)載供電。隨著電感上存儲(chǔ)的能量地消耗。負(fù)載兩端的電壓開始逐漸降低，外部電源通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用又要充電。依次類推在不斷的充電和放電的過程中形成了一種穩(wěn)定的電壓，永遠(yuǎn)使負(fù)載兩端地電壓不會(huì)升高也不會(huì)降低，這就是開關(guān)電源的最大優(yōu)勢。

    要確定快速轉(zhuǎn)換器中電感的大小首先應(yīng)假定晶體管的占空比為50%，因?yàn)榇藭r(shí)的轉(zhuǎn)換器操作操作效率最高。占空比由方程式1給出：
（其中T是PWM的周期在程序示例中T=10.5s）

占空比=ton/T            （1）

    至此就可以選擇一個(gè)PWM的轉(zhuǎn)換頻率（如方程式2所示）PWM的轉(zhuǎn)換頻率越大，則電感的值越小，也越節(jié)約成本。

    我的示例代碼配置F310的8位硬件PWM是使用內(nèi)部24.5MHz主時(shí)鐘的256分頻來產(chǎn)生一個(gè)95.7kHz的轉(zhuǎn)換速率。

L=（Vi-Vsat-Voton）/2Iomax   （2）

     現(xiàn)在我們可以計(jì)算電感的大小了，假定充電電壓Vi的值為15V，飽和電壓Vsat的值為0.5V，需要獲得的輸出電壓值為4.2V,并且最大輸出電流IＯMAX為1500mA，那么，電感的值至少應(yīng)選為18H。
    需要注意的是：在本電路中的電容僅僅是一個(gè)紋波衰減器，因?yàn)榧y波與電容的大小成反比例關(guān)系，所以電容的值越大，衰減效果越好。