基于PIC16F676的鎳氫電池充電管理系統(tǒng)設(shè)計
摘要：分析了鎳氫電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計需求，提出了一種采用電壓、溫度和時間進行綜合管理的充電管理方案。設(shè)計了基于PIC16F676的新型柔性充電系統(tǒng)，同時給出了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：PIC16F676；電池；充電器
隨著科技的發(fā)展，對便攜式儀器儀表的需求越來越多。為這些儀表選擇充電電池并設(shè)計充電管理電路是這類產(chǎn)品設(shè)計的重要內(nèi)容。鎳氫電池與其它類型電池相比，具有比容量大（相當(dāng)于鎳鎘電池的兩倍），無污染、無記憶、重量輕，價格適中（只有鋰離子電池一半的價格）等優(yōu)點，在國內(nèi)儀器儀表行業(yè)中越來越受到青睞。
1鎳氫電池充電系統(tǒng)設(shè)計理論基礎(chǔ)
正極上析出氧氣，負(fù)極上析出氫氣。這三個化學(xué)反應(yīng)決定了鎳氫電池充電電路要求如下：
1）電池充電終止電壓：
電池充電時，極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)全部飽和，電池電壓不再上升而是略有下降。此時，若繼續(xù)大電流充電，將會大大影響電池的壽命，此時的電壓稱為充電終止電壓，一般單節(jié)電池不超過1.6伏。充電終止電壓與電流充電率、環(huán)境溫度、電池生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)。電壓負(fù)增量控制方法是一種公認(rèn)的比較先進的控制方法（-△V），電壓從峰值下降5~10Mv/節(jié)時及時終止快速充電；最大電壓控制方法可以作為輔助控制方法。
2）電池充電電流：
充電電流取決于電池容量C。現(xiàn)在新型鎳氫電池可以達到1C以上的充電率，但充電電流過大會使電池內(nèi)部壓力升高較快，安全閥打開，電池漏液，引起安全問題。在設(shè)計中，充電電流取0.5C。
3）電池充電時間：
電池充電時間和充電電流的大小有關(guān)，充電電流取0.5C左右時，電池充滿約需要2~3小時。
4）電池溫度：
在電池充滿電后會發(fā)生析氧和析氫反應(yīng)，使電池內(nèi)部壓力增大，溫度上升。當(dāng)電池溫度超過55度或者溫度超過2度/分時候應(yīng)及時終止快速充電。另外，如果環(huán)境溫度低于5度或者高于40度時候不應(yīng)該啟動快速充電。
目前，大多數(shù)充電電路僅采用上述的一個或者兩個參數(shù)進行控制，很難達到理想的控制要求。為此，本文設(shè)計了一種新型柔性充電管理電路；通過對上述幾個參數(shù)同時進行綜合控制，可以更高效、更加安全地完成充電管理過程。
2鎳氫電池充電管理電路硬件設(shè)計
電池充電原理圖如圖1所示，包括充電控制電路和充電狀態(tài)檢測電路。充電電路以PIC16F676為核心，PIC16F676是Microchip推出的一款新型PIC單片機，DIP14或者SOIC14封裝，2個定時器，輸出IO口切換頻率可以達到250KHZ，2KFlash，多路AD，使得PIC16F676特別適用于低成本的電池管理系統(tǒng)。芯片內(nèi)部集成了上電復(fù)位、欠壓檢測和看門狗電路，使用內(nèi)部晶振（4M晶體），這些都極大的簡化了外圍電路的設(shè)計。
充電電路以及充電過程：
PIC16F676的RC3口或者RC4口用于輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖信號控制NPN三極管8050的通斷。啟動RC3口通過定時器1控制引腳輸出高低電平即可以對電池進行充電控制。電池充滿時候，停止定時器，RC3輸出低電平，NPN三極管截止，便可以停止充電。
在一個PWM脈沖周期中，當(dāng)NPN三極管導(dǎo)通時，MOSFET管BD442的柵極為高電平，外部電源經(jīng)過肖特基二極管，檢測電阻給電池充電；當(dāng)NPN三極管8050截止時候，MOSFET管BD442的柵極為低電平，外部電源停止充電。在下一個PWM脈沖周期，重復(fù)上述過程。
充電狀態(tài)檢測電路：
1） 電池端電壓檢測：通過精密電阻R18，R19分壓獲得電池端電壓，將此信號接到PIC16F676的RC1引腳AD檢測引腳。
2） 電池溫度檢測：在電池組內(nèi)內(nèi)置一個具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，通過測量熱敏電阻的端電壓可以準(zhǔn)確地測量到電池組的溫度。為保證測量精度，回路中采用了精密穩(wěn)壓源LM385以產(chǎn)生精確的基準(zhǔn)電壓（1.25V）。此基準(zhǔn)電壓1.25V同時作為PIC16F676芯片AD轉(zhuǎn)換的參考電壓。
3） 充電電流檢測：由運算放大器LM324構(gòu)成一個差動放大器，檢測PIC16F676的充電電流。充電電流過大時候，應(yīng)減小PWM的占空比；反之，應(yīng)增大PWM的占空比，從而使充電電流維持在何時的范圍內(nèi)。
3 鎳氫電池充電管理電路軟件設(shè)計
本系統(tǒng)利用電池電壓，溫升、充電時間以及電壓變化量等參數(shù)來綜合判斷是否應(yīng)該結(jié)束充電過程。軟件按功能可以分為PWM控制模塊、計時模塊以及電壓檢測、電流檢測、溫度檢測等幾個部分。程序流程圖如圖2所示。
系統(tǒng)工作時候，PIC16F676不斷檢測電池組端電壓。若此電壓數(shù)值低于1.25NV（N為電池節(jié)數(shù)），檢測環(huán)境溫度，如果環(huán)境溫度在5~40度之內(nèi)，則啟動PWM開始充電。在充電過程中，CPU不斷采集充電電流的大小，并將實測電流數(shù)值與設(shè)定數(shù)值相比較。若兩者相差超過10%時，調(diào)整占空比，可使充電電流維持在設(shè)定數(shù)值附近。另外，CPU還將不斷測量電池端電壓、電池溫度，并對充電時間進行計時。當(dāng)這些參數(shù)滿足下列的充電終止條件時候，停止充電：當(dāng)電池電壓大于設(shè)定電壓或者電池電壓出現(xiàn)5~10毫伏/分鐘/節(jié)的負(fù)△V變化時；電池溫度超過55度，或者出現(xiàn)0.5度/分的溫升時候，充電時間大于180分鐘（本系統(tǒng)采用0.5C充電），都應(yīng)該停止充電。
在電池長時間閑置或者放電情況下，在充電前期電壓會出現(xiàn)起伏，形成-△V。通過設(shè)置延時定時器，在充電初始10分鐘內(nèi)不判斷電池電壓變化，可防止誤判斷終止充電。
本系統(tǒng)軟件的核心部分為AD轉(zhuǎn)換和定時器產(chǎn)生PWM這兩個模塊。下面給出這兩個部分的相應(yīng)的程序，編譯環(huán)境為PIC16。
///////////////////////////////////AD初始化程序//////////////////////
void AD() //電量測試子程序
{
ADCON0=0X59; //啟動AN3 AN0,AN1作模擬口
ADCON1=0X84; //結(jié)果右移
TRISA3=1; //做輸入口用
ADGO=1; //啟動AD
ADIF=0; //清除AD標(biāo)志
while(ADIF==1); //等待AD采樣完成
ADIF=0; //清除AD標(biāo)志
while(ADGO)continue; //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
}
///////////////////////////////////TMR1 定義///////////////////////////
void tmint()
{
GIE=1;
PEIE=1;
TMR1IF=0;
TMR1IE=1; //設(shè)置中斷使能
T1CON=0x31; // 預(yù)分頻設(shè)置1：8 開定時器
TMR1H=0x9E;
TMR1L=0x57; //定時參數(shù)
}
/////////////////////////////////定時器中斷服務(wù)程序////////////////////////
void interrupt clkint0(void)
{
TMR1IF=0;
TMR1H=0x9E; //初值25000；200毫秒
TMR1L=0x57; //25000-1
s0=1;
}
4 結(jié)論
此充電電路經(jīng)過實際調(diào)試，試驗性能可靠，可很好地實現(xiàn)快速充電和電池保護等功能能。而且簡單實用。通過修改軟件中相應(yīng)的設(shè)定值，此電路不僅可以給不同節(jié)數(shù)的電池充電，也可以用來給鉛酸、鎳鉻、鋰離子等不同品種的電池充電。該電路具有很好的推廣價值。若能進一步完善該電路，在充電過程中加入具有去極化功能的放電環(huán)節(jié)，將會提高電池的充電接受能力。
參考文獻：
1 www.microchip.com
2 www.corun.com 金屬氫化物密封蓄電池技術(shù)手冊
作者：武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 鄧穎
武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 葉慶云
北京建筑工程學(xué)院 周渡海
北京瑞薩科技半導(dǎo)體單片機應(yīng)用事業(yè)部 何此昂
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