簡(jiǎn)化針對多種化學(xué)類(lèi)型電池的充電器

當為不同電池芯容量的多種化學(xué)類(lèi)型電池充電時(shí)，在不同的充電階段上，電池電壓可能會(huì )高于或低于電源電壓。因此，需要對電源電壓做升壓或降壓，以配合電池的電壓。例如，當為一個(gè)典型電壓為1.25V的單芯NiMH(鎳金屬)電池充電時(shí)，必須對3.3V的電源做衰減或降壓。當要為一個(gè)單芯4.1V鋰離子電池充電時(shí)，輸入電壓需要做升壓。為解決這些問(wèn)題，應用一種SEPIC(單端初級電感轉換器)作為主充電路徑。這種開(kāi)關(guān)模式的DC/DC轉換結構可以同時(shí)在某個(gè)電壓區間內完成升降壓工作，從而提供了電源電壓的靈活性。

鋰離子與NiMH化學(xué)類(lèi)型需要不同的充電曲線(xiàn)，但一個(gè)靈活的充電架構可以方便地用于兩種情況。較為靈活與簡(jiǎn)便的實(shí)現方式是，用微控制器上的固件，從一種化學(xué)類(lèi)型切換到另一種類(lèi)型。如果設計一種模塊化的充電子系統，并將各種功能封裝到各個(gè)模塊中，就可以根據系統需求，使用某個(gè)系列中的不同微控制器，實(shí)現相同的應用。模塊化的使用簡(jiǎn)化了設計，開(kāi)發(fā)人員就能夠為其它主要應用增加電池充電功能，如電機控制與醫療測量等。

在控制充電電流時(shí)，電池充電器必須要確定出電池的電壓、電流與溫度。確定電池狀態(tài)的硬件對所有電池類(lèi)型都是共同的，電池電壓可以高于或低于微控制器的輸入范圍。因此，工程師們一般都會(huì )用一個(gè)電阻分壓電路測量電壓，做電壓衰減。他們可以測量高側的電流，即進(jìn)入電池的電流;也可以測量低側的電流，即離開(kāi)電池的電流;或者，在SEPIC情況下，可以在電感的次級端使用一只電阻。電池通常都內嵌有熱敏電阻，可以用于監控和確保電池溫度的精度。有些商用電池制造商為降低成本而省略了這些熱敏電阻。這種情況下，用戶(hù)可以外接一只熱敏電阻，并使之與電池接觸。

采用這些測量參數，微控制器就能確定并控制進(jìn)入電池的充電電流。從電池充電器的角度來(lái)說(shuō)，不同化學(xué)類(lèi)型之間的主要區別就是充電曲線(xiàn)(圖1)。鋰離子電池采用的是恒流恒壓的充電曲線(xiàn)。如果電池電壓在啟動(dòng)時(shí)低于恒流閾值，則電池充電器會(huì )以少量電流供電，大約為電池容量的10%。在這個(gè)預處理階段，電池電壓會(huì )隨著(zhù)充電電流而逐步增加。當電壓達到快充閾值時(shí)，微控制器將充電電流增加到約為100%容量。這個(gè)恒流階段一直保持下去，直到電池電壓達到規定的電壓值。然后，電池充電器進(jìn)入恒壓階段，在此期間，充電電流減小，同時(shí)電池電壓保持在規定的電壓值。當電流降低到終止電流時(shí)，電池電壓保持不變，而電池充電過(guò)程終止。

圖1，從電池充電器的角度，鋰離子電池化學(xué)類(lèi)型(a)與NiMH電池化學(xué)類(lèi)型(b) 之間的主要差異是充電曲線(xiàn)。

在充電期間，電池中的電流隨溫度的變化而變化。如果有任何電池狀態(tài)參數(電壓、電流或溫度)超出了相應電池充電階段所規定的范圍，則電池充電器會(huì )停止充電做保護。

NiMH電池的前兩個(gè)充電階段與鋰離子電池類(lèi)似，即：20%容量的激活段，以及100%容量的恒流段。電壓下跌與溫度下跌表明了NiMH電池的恒流段結束，而電流保持恒定。在這次電壓下跌后，NiMH充電器的充電曲線(xiàn)進(jìn)入了充電完成階段，在此期間，電流降低到約5%容量的涓流水平。這一階段提供一個(gè)恒定時(shí)間的小充電電流，直到充電終止。

使用這些充電需求，就可以將電池充電過(guò)程簡(jiǎn)化為不同的水平，方法是用一個(gè)預先定義了電壓、電流、溫度和超時(shí)等數值的狀態(tài)機。微控制器的狀態(tài)機控制著(zhù)電池的狀態(tài)，以及充電所需要的電流量。圖2是一個(gè)可為這兩種電池充電的簡(jiǎn)化的狀態(tài)機。

圖2，一個(gè)預先確定了電壓、電流、溫度和超時(shí)數值的狀態(tài)機，可以簡(jiǎn)化鋰離子電池和NiMH電池的充電曲線(xiàn)。

根據所選擇的電池化學(xué)類(lèi)型，微控制器會(huì )檢查電池的狀態(tài)機，控制充電電流。電池充電的曲線(xiàn)可以有預編程、啟動(dòng)前或自動(dòng)決定三種形式。對于前兩種方式，微控制器會(huì )從用戶(hù)的輸入獲得電池類(lèi)型。對預編程情況，模塊軟件會(huì )選擇充電電池的類(lèi)型，用所需曲線(xiàn)為微控制器編程。這種決策方式適用于那些充電是附加功能的應用。在這些應用中，電池類(lèi)型是已知的。

在啟動(dòng)前方式中，微控制器會(huì )做一個(gè)附加檢查，這種檢查可以簡(jiǎn)單到在啟動(dòng)時(shí)由微控制器檢查開(kāi)關(guān)的位置，從而確定電池的充電曲線(xiàn)與選擇。對于自動(dòng)檢查方式，微控制器會(huì )在啟動(dòng)后自動(dòng)地做出決策，通過(guò)檢測電池的類(lèi)型而選擇電池充電曲線(xiàn)。例如，一只單芯NiMH電池的典型電壓范圍為0.9V~1.25V，而一個(gè)鋰離子電池芯的電壓范圍為2.7V~4.2V。同樣，不同電池的溫度范圍也有差異，微控制器可以在啟動(dòng)時(shí)保存和比較這些數值。自動(dòng)檢查方案只能用于某些情況。一般來(lái)說(shuō)，預編程與啟動(dòng)前方法可用于大多數應用。本文主要討論預編程決策，面向那些電池充電是附加功能的應用。

兩種化學(xué)類(lèi)型都使用了相同的硬件，用于電池充電器的檢測與控制(圖3)。要確定電池的狀態(tài)，就要將電壓、電流和溫度以多工方式輸入到微控制器中的一只ADC，完成測量。固件使用這些數值確定出狀態(tài)，通過(guò)改變PWM(脈沖寬度調制器)的占空比而控制充電電流。PWM的輸出連接到SEPIC中MOSFET的柵極上，控制流經(jīng)電池的電流。這些步驟都與CPU有關(guān)，因此會(huì )有一些延遲。有些電池(包括鋰離子電池芯)對過(guò)充很敏感，在較高電壓下會(huì )變得不穩定。比較器增加了防止過(guò)壓和過(guò)流狀況的硬件保護電路。這些比較器會(huì )在必要時(shí)中止充電，直到用戶(hù)將其復位，或電池回到安全的狀況下。

圖3，微控制器根據所選擇電池的化學(xué)類(lèi)型，用電池的狀態(tài)機控制充電電流。

兩種化學(xué)類(lèi)型下，用于檢測和控制電池充電的外部硬件是相同的。

根據測得的參數值以及電池的化學(xué)類(lèi)型，CPU確定出電池的狀態(tài)，并相應地改變PWM占空比。按傳統方法，CPU用于確定充電曲線(xiàn)的條件都是代碼中的常數，程序員要手工修改它們(代碼清單1)。