基于PIC16F676的鎳氫電池充電管理系統設計

摘要：分析了鎳氫電池充電管理系統的設計需求，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。設計了基于PIC16F676的新型柔性充電系統，同時(shí)給出了該系統的軟硬件設計方法。
關(guān)鍵詞：PIC16F676；電池；充電器

隨著(zhù)科技的發(fā)展，對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計充電管理電路是這類(lèi)產(chǎn)品設計的重要內容。鎳氫電池與其它類(lèi)型電池相比，具有比容量大（相當于鎳鎘電池的兩倍），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)，在國內儀器儀表行業(yè)中越來(lái)越受到青睞。

1鎳氫電池充電系統設計理論基礎

正極上析出氧氣，負極上析出氫氣。這三個(gè)化學(xué)反應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)。電壓負增量控制方法是一種公認的比較先進(jìn)的控制方法（-△V），電壓從峰值下降5~10Mv/節時(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在新型鎳氫電池可以達到1C以上的充電率，但充電電流過(guò)大會(huì )使電池內部壓力升高較快，安全閥打開(kāi)，電池漏液，引起安全問(wèn)題。在設計中，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，使電池內部壓力增大，溫度上升。當電池溫度超過(guò)55度或者溫度超過(guò)2度/分時(shí)候應及時(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)候不應該啟動(dòng)快速充電。

目前，大多數充電電路僅采用上述的一個(gè)或者兩個(gè)參數進(jìn)行控制，很難達到理想的控制要求。為此，本文設計了一種新型柔性充電管理電路；通過(guò)對上述幾個(gè)參數同時(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(gè)定時(shí)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。芯片內部集成了上電復位、欠壓檢測和看門(mén)狗電路，使用內部晶振（4M晶體），這些都極大的簡(jiǎn)化了外圍電路的設計。

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的PWM脈沖信號控制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NPN三極管導通時(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，檢測電阻給電池充電；當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，重復上述過(guò)程。

充電狀態(tài)檢測電路：

1） 電池端電壓檢測：通過(guò)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：在電池組內內置一個(gè)具有負溫度系數的熱敏電阻，通過(guò)測量熱敏電阻的端電壓可以準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壓源LM385以產(chǎn)生精確的基準電壓（1.25V）。此基準電壓1.25V同時(shí)作為PIC16F676芯片AD轉換的參考電壓。

3） 充電電流檢測：由運算放大器LM324構成一個(gè)差動(dòng)放大器，檢測PIC16F676的充電電流。充電電流過(guò)大時(shí)候，應減小PWM的占空比；反之，應增大PWM的占空比，從而使充電電流維持在何時(shí)的范圍內。

3 鎳氫電池充電管理電路軟件設計

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

系統工作時(shí)候，PIC16F676不斷檢測電池組端電壓。若此電壓數值低于1.25NV（N為電池節數），檢測環(huán)境溫度，如果環(huán)境溫度在5~40度之內，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)測電流數值與設定數值相比較。若兩者相差超過(guò)10%時(shí)，調整占空比，可使充電電流維持在設定數值附近。另外，CPU還將不斷測量電池端電壓、電池溫度，并對充電時(shí)間進(jìn)行計時(shí)。當這些參數滿(mǎn)足下列的充電終止條件時(shí)候，停止充電：當電池電壓大于設定電壓或者電池電壓出現5~10毫伏/分鐘/節的負△V變化時(shí)；電池溫度超過(guò)55度，或者出現0.5度/分的溫升時(shí)候，充電時(shí)間大于180分鐘（本系統采用0.5C充電），都應該停止充電。

在電池長(cháng)時(shí)間閑置或者放電情況下，在充電前期電壓會(huì )出現起伏，形成-△V。通過(guò)設置延時(shí)定時(shí)器，在充電初始10分鐘內不判斷電池電壓變化，可防止誤判斷終止充電。

本系統軟件的核心部分為AD轉換和定時(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(dòng)AN3 AN0,AN1作模擬口

ADCON1=0X84; //結果右移

TRISA3=1; //做輸入口用

ADGO=1; //啟動(dòng)AD

ADIF=0; //清除AD標志

while(ADIF==1); //等待AD采樣完成

ADIF=0; //清除AD標志

while(ADGO)continue; //等待轉換結束

}

///////////////////////////////////TMR1 定義///////////////////////////

void tmint()

{

GIE=1;

PEIE=1;

TMR1IF=0;

TMR1IE=1; //設置中斷使能

T1CON=0x31; // 預分頻設置1：8 開(kāi)定時(shí)器

TMR1H=0x9E;

TMR1L=0x57; //定時(shí)參數

}

/////////////////////////////////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 結論

此充電電路經(jīng)過(guò)實(shí)際調試，試驗性能可靠，可很好地實(shí)現快速充電和電池保護等功能能。而且簡(jiǎn)單實(shí)用。通過(guò)修改軟件中相應的設定值，此電路不僅可以給不同節數的電池充電，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，將會(huì )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
北京瑞薩科技半導體單片機應用事業(yè)部何此昂