基于PIC16F676的鎳氫電池充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：分析了鎳氫電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，提出了一種采用電壓、溫度和時(shí)間進(jìn)行綜合管理的充電管理方案。設(shè)計(jì)了基于PIC16F676的新型柔性充電系統(tǒng)，同時(shí)給出了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：PIC16F676；電池；充電器

       隨著科技的發(fā)展，對(duì)便攜式儀器儀表的需求越來(lái)越多。為這些儀表選擇充電電池并設(shè)計(jì)充電管理電路是這類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。鎳氫電池與其它類(lèi)型電池相比，具有比容量大（相當(dāng)于鎳鎘電池的兩倍），無(wú)污染、無(wú)記憶、重量輕，價(jià)格適中（只有鋰離子電池一半的價(jià)格）等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)儀器儀表行業(yè)中越來(lái)越受到青睞。

1鎳氫電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)
   

     正極上析出氧氣，負(fù)極上析出氫氣。這三個(gè)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(shí)，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(shí)，若繼續(xù)大電流充電，將會(huì)大大影響電池的壽命，此時(shí)的電壓稱(chēng)為充電終止電壓，一般單節(jié)電池不超過(guò)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(jìn)的控制方法（-△V），電壓從峰值下降5~10Mv/節(jié)時(shí)及時(shí)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?，F(xiàn)在新型鎳氫電池可以達(dá)到1C以上的充電率，但充電電流過(guò)大會(huì)使電池內(nèi)部壓力升高較快，安全閥打開(kāi)，電池漏液，引起安全問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中，充電電流取0.5C。

3）電池充電時(shí)間：

       電池充電時(shí)間和充電電流的大小有關(guān)，充電電流取0.5C左右時(shí)，電池充滿(mǎn)約需要2~3小時(shí)。

4）電池溫度：

       在電池充滿(mǎn)電后會(huì)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(guò)55度或者溫度超過(guò)2度/分時(shí)候應(yīng)及時(shí)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(shí)候不應(yīng)該啟動(dòng)快速充電。

       目前，大多數(shù)充電電路僅采用上述的一個(gè)或者兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，很難達(dá)到理想的控制要求。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型柔性充電管理電路；通過(guò)對(duì)上述幾個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行綜合控制，可以更高效、更加安全地完成充電管理過(guò)程。

2鎳氫電池充電管理電路硬件設(shè)計(jì)
 

       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(cè)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(jī)，DIP14或者SOIC14封裝，2個(gè)定時(shí)器，輸出IO口切換頻率可以達(dá)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(cè)和看門(mén)狗電路，使用內(nèi)部晶振（4M晶體），這些都極大的簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。

       充電電路以及充電過(guò)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(hào)控制NPN三極管8050的通斷。啟動(dòng)RC3口通過(guò)定時(shí)器1控制引腳輸出高低電平即可以對(duì)電池進(jìn)行充電控制。電池充滿(mǎn)時(shí)候，停止定時(shí)器，RC3輸出低電平，NPN三極管截止，便可以停止充電。

       在一個(gè)PWM脈沖周期中，當(dāng)NPN三極管導(dǎo)通時(shí)，MOSFET管BD442的柵極為高電平，外部電源經(jīng)過(guò)肖特基二極管，檢測(cè)電阻給電池充電；當(dāng)NPN三極管8050截止時(shí)候，MOSFET管BD442的柵極為低電平，外部電源停止充電。在下一個(gè)PWM脈沖周期，重復(fù)上述過(guò)程。
   

      充電狀態(tài)檢測(cè)電路：

1）  電池端電壓檢測(cè)：通過(guò)精密電阻R18，R19分壓獲得電池端電壓，將此信號(hào)接到PIC16F676的RC1引腳AD檢測(cè)引腳。

2）  電池溫度檢測(cè)：在電池組內(nèi)內(nèi)置一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，通過(guò)測(cè)量熱敏電阻的端電壓可以準(zhǔn)確地測(cè)量到電池組的溫度。為保證測(cè)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(shí)作為PIC16F676芯片AD轉(zhuǎn)換的參考電壓。

3）  充電電流檢測(cè)：由運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)放大器，檢測(cè)PIC16F676的充電電流。充電電流過(guò)大時(shí)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(shí)的范圍內(nèi)。

3 鎳氫電池充電管理電路軟件設(shè)計(jì)

       本系統(tǒng)利用電池電壓，溫升、充電時(shí)間以及電壓變化量等參數(shù)來(lái)綜合判斷是否應(yīng)該結(jié)束充電過(guò)程。軟件按功能可以分為PWM控制模塊、計(jì)時(shí)模塊以及電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)等幾個(gè)部分。程序流程圖如圖2所示。

       系統(tǒng)工作時(shí)候，PIC16F676不斷檢測(cè)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(cè)環(huán)境溫度，如果環(huán)境溫度在5~40度之內(nèi)，則啟動(dòng)PWM開(kāi)始充電。在充電過(guò)程中，CPU不斷采集充電電流的大小，并將實(shí)測(cè)電流數(shù)值與設(shè)定數(shù)值相比較。若兩者相差超過(guò)10%時(shí)，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(cè)量電池端電壓、電池溫度，并對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)這些參數(shù)滿(mǎn)足下列的充電終止條件時(shí)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(shí)；電池溫度超過(guò)55度，或者出現(xiàn)0.5度/分的溫升時(shí)候，充電時(shí)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(zhǎng)時(shí)間閑置或者放電情況下，在充電前期電壓會(huì)出現(xiàn)起伏，形成-△V。通過(guò)設(shè)置延時(shí)定時(shí)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(shí)器產(chǎn)生PWM這兩個(gè)模塊。下面給出這兩個(gè)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(cè)試子程序

{

       ADCON0=0X59;  //啟動(dòng)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(dòng)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(kāi)定時(shí)器

     TMR1H=0x9E;

     TMR1L=0x57;    //定時(shí)參數(shù)

}

/////////////////////////////////定時(shí)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(guò)實(shí)際調(diào)試，試驗(yàn)性能可靠，可很好地實(shí)現(xiàn)快速充電和電池保護(hù)等功能能。而且簡(jiǎn)單實(shí)用。通過(guò)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(lái)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(jià)值。若能進(jìn)一步完善該電路，在充電過(guò)程中加入具有去極化功能的放電環(huán)節(jié)，將會(huì)提高電池的充電接受能力。

參考文獻(xiàn)：

1 www.microchip.com
2 www.corun.com 金屬氫化物密封蓄電池技術(shù)手冊(cè)

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(jī)應(yīng)用事業(yè)部  何此昂