一機(jī)兩用的鋰電池充電系統(tǒng)的設(shè)計方案

0 引言

鑒于市場上鎳鎘電池和鋰電池共存的局面，本文設(shè)計的充電器可以對這兩種電池進(jìn)行充電，對鎳鎘電池組采用脈沖充電方式，對鋰電池組采用恒流充電方式，這是依據(jù)電池的不同機(jī)理而設(shè)計的，真正做到了一機(jī)兩用，此為該充電器的創(chuàng)新點，也是設(shè)計的難點。充電器的寬屏LCD可以同時顯示4組充電器的充電狀態(tài)，也可單獨顯示一組充電器上電池的各項參數(shù)，做到了對電池充電過程的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是：

1.可同時對4組8.4V的鋰離子電池或9.2V的鎳鎘電池進(jìn)行充放電。

2.可與電池組中的芯片通信，判斷電池的化學(xué)性質(zhì)。

3.對于不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將采用相應(yīng)的充電方式。

4.可與電池組中的芯片通信，得到該電池組的電壓、充電電流、容量等參數(shù)。

5.充電器帶有LCD,可顯示電池的各項數(shù)據(jù)。

該充電器的功能框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1總控單元的設(shè)計與實現(xiàn)

總控單元是由微控制器PIC16F873和鍵盤控制芯片ZLG7289A構(gòu)成的。主要任務(wù)是負(fù)責(zé)與各個充電單元通信，并處理用戶輸入與LCD顯示信息。鍵盤控制芯片在這里負(fù)責(zé)6個按鍵和12個LED的控制。

ZLG7289A與微控制器之間通過SPI總線進(jìn)行雙向通信。主控單元每秒查詢一次各個充電單元，獲取當(dāng)前充電單元的信息，如有無電池、電池性質(zhì)、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶顯示。

2.2充電單元的設(shè)計與實現(xiàn)

TP8002鋰離子電池

充電控制芯片

TP8002是一款高效獨立開關(guān)模式鋰離子電池充電控制器。該控制器有4.2V和8.4V兩個版本。

TP8002-8.4具有500kHz開關(guān)頻率，是高效電流模式的PWM控制器。通過驅(qū)動一個外部P溝道MOSFET,它可以提供4A的充電電流，而效率可高達(dá)90%.輸出電壓設(shè)置為8.4V,最終浮動電壓并具1%的精度，而充電準(zhǔn)確度為5%.此外，該器件可在9V~22V范圍內(nèi)的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充電器相比，TP8002-8.4的快速運行頻率與電流模式架構(gòu)使之能夠使用小型電感器和電容器。

2.3鋰離子/鎳鎘電池兩用

充電單元的總體設(shè)計

從前面對TP8002的分析可知，該芯片是針對鋰離子電池的充電控制器，要實現(xiàn)對鎳鎘電池充電需要解決以下問題：首先，TP8002對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，保證電池電壓不超過8.4V.但對于鎳鎘電池組，充電截止電壓可以達(dá)到9.2V.其次，鎳鎘電池充電即將結(jié)束時，需要對電池進(jìn)行以正常電流30%和 10% 的涓流充電。所以，第二個需要解決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外，對鎳鎘電池充電應(yīng)使用脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時間用來充電，1%的時間用來放電，其余時間不充電也不放電。最后，如何判斷某一個電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池，因為若把鋰離子電池誤判為鎳鎘電池，會使充電電壓高于8.4V,這對鋰離子電池是十分危險的，而將鎳鎘電池誤判為鋰離子電池，則可能造成電池充電不足。因此，必須保證極低的誤判率。

本部分根據(jù)TP8002的工作原理，設(shè)計了既可以對鋰離子電池進(jìn)行恒流-恒壓充電，又可以對鎳鎘電池進(jìn)行脈沖式充電的電路。充電單元的總體功能框圖如圖2 所示。其中，信號調(diào)理電路使充電器既可以對8.4V的鋰電池充電，又可以對9.2V的鎳鎘電池充電，同時也起到控制充電電流大小的作用。

圖2充電單元的總體功能框圖[!--empirenews.page--]

利用微控制器控制TP8002的工作狀態(tài)，配合放電電路使充電器可以對鎳鎘電池進(jìn)行脈沖方式充電。

微控制器通過一定的通信協(xié)議(HDQ16)與智能電池通信，確定其容量、化學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。

2.5信號調(diào)理電路的設(shè)計

為了使TP8002可對高于8.4V的電池進(jìn)行恒流充電，并可調(diào)節(jié)充電電流，在TP8002的BAT和SENSE端與采樣電阻之間加入一級信號調(diào)理電路。該電路的主要功能是對采樣電阻兩端的信號進(jìn)行運算，針對不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將相應(yīng)的信號送給TP8002.該信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3信號調(diào)理電路的功能圖

這里定義采樣電阻兩端的電壓值是VBAT和Vsense,那么充電電流在采樣電阻上的壓降VRS為：VRS=Vsense-VBAT,該信號為減法器的輸出。設(shè)乘法器的乘系數(shù)為K,那么乘法器的輸出為KVRS.對于鋰子電池，二選一開關(guān)將選通電池電壓VBAT;對于鎳鎘電池，二選一開關(guān)將選通7V 恒定電壓。這里設(shè)二選一模擬開關(guān)的輸出為V1,那么加法器的輸出Vs應(yīng)為：Vs=KVRS+V1,這樣一來，送到TP8002的BAT和SENSE兩端的電壓之差應(yīng)為KVRS.只要正確控制K值，就可以使充電電流為正常充電電流的1/K.因此，可以通過二選一開關(guān)控制電流為恒流充電時的10%或30%.

對于TP8002的BAT端輸入值，當(dāng)開關(guān)選通鋰離子電池時，BAT的輸入即是電池電壓。此時，TP8002可以控制整個鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預(yù)。

當(dāng)開關(guān)選通了7V恒定電壓后，BAT端的輸入恒定為7V,此時，TP8002無法知道電池的真實電壓，只認(rèn)為電池電壓為7V.所以，盡管電池電壓高于 8.4V,仍會以恒定電流對電池進(jìn)行充電。在這種情況下，需要微控制器的干預(yù)，否則，會造成電池的過充。由于微控制器內(nèi)部帶有ADC,可以監(jiān)測電池電壓的變化。當(dāng)電池電壓達(dá)到指定值時，減小充電電流，直至電池充滿。這樣就可以對9.2V的鎳鎘電池進(jìn)行充電了。

2.5脈沖充放電電路的設(shè)計

由于TP8002是恒流充電控制芯片，因此，必須使用微控制器控制其充電使能引腳COMP.當(dāng)需要TP8002輸出充電脈沖時，使控制COMP引腳的端口變?yōu)楦咦钁B(tài)，使COMP引腳自行升至360mV以上時，便有充電電流輸出。放電時，必須將COMP引腳拉低，使TP8002關(guān)斷充電電流。之后，再打開放電電路。微控制器選用PIC16F873,它是一款基于Flash的8位微控制器。內(nèi)部有定時器、看門狗電路、10位ADC等模塊。微控制器以1s為周期對鎳鎘電池進(jìn)行脈沖充放電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

充電單元中的微控制器主要負(fù)責(zé)充電過程的控制和與總控板的通信，系統(tǒng)軟件設(shè)計程序流程如圖4所示。充電單元首先判斷是否有電池，如果有電池放入，則判斷充放電狀態(tài)，默認(rèn)是充電狀態(tài)，該狀態(tài)可由總控單元改變。若充電單元處于充電狀態(tài)，則繼續(xù)判斷電池的化學(xué)性質(zhì)，針對不同的電池采用不同的充電方式。若處于放電狀態(tài)，則對電池組進(jìn)行放電，直到電池電壓低于閾值電壓后，轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。

圖4充電單元主程序流程圖

除主程序外，總控單元與充電單元的通信是在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。當(dāng)充電單元收到總控單元的指令后，進(jìn)入中斷。若指令是查詢數(shù)據(jù)指令，則向總控單元發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。若是充電狀態(tài)設(shè)置指令，則依據(jù)指令設(shè)置充電單元的充電狀態(tài)。

4 通信協(xié)議的實現(xiàn)

通過與電池組中電能計量芯片通信的方法來判斷電池的性質(zhì)。本系統(tǒng)可以與遵循HDQ16接口協(xié)議的智能電池組進(jìn)行通信，除了電池組的化學(xué)性質(zhì)外，還可以將電池組的容量、電壓、充電電流、編號等數(shù)據(jù)一并讀取，供充電器顯示之用。

充電單元可以通過HDQ總線對智能電池進(jìn)行讀操作。HDQ16接口協(xié)議是基于指令的協(xié)議。一個處理器發(fā)送8位指令碼給智能電池，這個8位的指令碼由兩部分組成，7位HDQ16指令碼(位0~6)和1位讀/寫指令。讀/寫指令指示智能電池存儲接下來的16位數(shù)據(jù)到一個指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出 16位數(shù)據(jù)。在HDQ16里，數(shù)據(jù)字節(jié)(指令)或者字(數(shù)據(jù))的最不重要的位會優(yōu)先傳輸。

一個塊的傳輸包括三個不同的部分。第一部分經(jīng)由主機(jī)或者智能電池把HDQ16引腳置邏輯低狀態(tài)一個tSTRH:B時間后開始發(fā)送。接下來的部分是真正的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)位在tDSU:B時間間隔里是有效的，負(fù)邊界用來開始通信。數(shù)據(jù)位被保持一個tDH:DV時間間隔，以便允許主機(jī)或智能電池采樣數(shù)據(jù)位。

在負(fù)邊界開始通信后，最后一部分通過返回給HDQ16引腳一個邏輯高狀態(tài)，至少保持tSSU:B時間間隔來停止傳輸。最后一個邏輯高狀態(tài)必須保持一個tCYCH:B時間間隔，以便有時間讓塊傳輸完全停止。

如果發(fā)生通信錯誤(e.g.,tCYCB>250ms)，主機(jī)就發(fā)送給智能電池一個BREAK信號，讓其控制串行接口。當(dāng)HDQ16引腳在一個時間間隔，或者更長時間里為邏輯低狀態(tài)時，智能電池就會偵測BREAK.然后，HDQ16引腳回到其正常預(yù)設(shè)高邏輯狀態(tài)一個tBR時間間隔。然后，智能電池就準(zhǔn)備從主機(jī)那里接收指令。

5 結(jié)語

本方案中介紹的充電系統(tǒng)從技術(shù)上很好地解決了上述問題，通過LCD顯示屏可以清晰便捷地讀出電源的剩余容量、已有充放電次數(shù)、充電及放電電流、電池電壓、容量統(tǒng)計和電池特性等重要內(nèi)容，并且通過設(shè)定，可以判斷電源是否達(dá)到報廢標(biāo)準(zhǔn)，及時提醒操作者更新電源。經(jīng)驗證，本方案具有較強(qiáng)的實用性。