一機兩用的鋰電池充電系統的設計方案

鑒于市場(chǎng)上鎳鎘電池和鋰電池共存的局面，本文設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，這是依據電池的不同機理而設計的，真正做到了一機兩用，此為該充電器的創(chuàng )新點(diǎn)，也是設計的難點(diǎn)。充電器的寬屏LCD可以同時(shí)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，做到了對電池充電過(guò)程的實(shí)時(shí)監測。

1 系統整體設計

系統設計目標是：

1.可同時(shí)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。

5.充電器帶有LCD,可顯示電池的各項數據。

該充電器的功能框圖如圖1所示。

圖1系統總體設計的結構圖

2 系統硬件設計

2.1總控單元的設計與實(shí)現

總控單元是由微控制器PIC16F873和鍵盤(pán)控制芯片ZLG7289A構成的。主要任務(wù)是負責與各個(gè)充電單元通信，并處理用戶(hù)輸入與LCD顯示信息。鍵盤(pán)控制芯片在這里負責6個(gè)按鍵和12個(gè)LED的控制。

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

2.2充電單元的設計與實(shí)現

TP8002鋰離子電池

充電控制芯片

TP8002是一款高效獨立開(kāi)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(gè)版本。

TP8002-8.4具有500kHz開(kāi)關(guān)頻率，是高效電流模式的PWM控制器。通過(guò)驅動(dòng)一個(gè)外部P溝道MOSFET,它可以提供4A的充電電流，而效率可高達90%.輸出電壓設置為8.4V,最終浮動(dòng)電壓并具1%的精度，而充電準確度為5%.此外，該器件可在9V~22V范圍內的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓撲結構充電器相比，TP8002-8.4的快速運行頻率與電流模式架構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(shí)現對鎳鎘電池充電需要解決以下問(wèn)題：首先，TP8002對電池電壓進(jìn)行監測，保證電池電壓不超過(guò)8.4V.但對于鎳鎘電池組，充電截止電壓可以達到9.2V.其次，鎳鎘電池充電即將結束時(shí)，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(gè)需要解決的問(wèn)題是如何控制恒流充電的電流大小。此外，對鎳鎘電池充電應使用脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時(shí)間用來(lái)充電，1%的時(shí)間用來(lái)放電，其余時(shí)間不充電也不放電。最后，如何判斷某一個(gè)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(huì )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TP8002的工作原理，設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(shí)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

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(guò)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。

2.5信號調理電路的設計

為了使TP8002可對高于8.4V的電池進(jìn)行恒流充電，并可調節充電電流，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，將相應的信號送給TP8002.該信號調理電路如圖3所示。

圖3信號調理電路的功能圖

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。設乘法器的乘系數為K,那么乘法器的輸出為KVRS.對于鋰子電池，二選一開(kāi)關(guān)將選通電池電壓VBAT;對于鎳鎘電池，二選一開(kāi)關(guān)將選通7V 恒定電壓。這里設二選一模擬開(kāi)關(guān)的輸出為V1,那么加法器的輸出Vs應為：Vs=KVRS+V1,這樣一來(lái)，送到TP8002的BAT和SENSE兩端的電壓之差應為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(guò)二選一開(kāi)關(guān)控制電流為恒流充電時(shí)的10%或30%.

對于TP8002的BAT端輸入值，當開(kāi)關(guān)選通鋰離子電池時(shí)，BAT的輸入即是電池電壓。此時(shí)，TP8002可以控制整個(gè)鋰離子的充電過(guò)程。不需任何外界的干預。

當開(kāi)關(guān)選通了7V恒定電壓后，BAT端的輸入恒定為7V,此時(shí)，TP8002無(wú)法知道電池的真實(shí)電壓，只認為電池電壓為7V.所以，盡管電池電壓高于 8.4V,仍會(huì )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，否則，會(huì )造成電池的過(guò)充。由于微控制器內部帶有ADC,可以監測電池電壓的變化。當電池電壓達到指定值時(shí)，減小充電電流，直至電池充滿(mǎn)。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.當需要TP8002輸出充電脈沖時(shí)，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(shí)，便有充電電流輸出。放電時(shí)，必須將COMP引腳拉低，使TP8002關(guān)斷充電電流。之后，再打開(kāi)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。內部有定時(shí)器、看門(mén)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 系統軟件設計

充電單元中的微控制器主要負責充電過(guò)程的控制和與總控板的通信，系統軟件設計程序流程如圖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(shí)現的。當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(xún)數據指令，則向總控單元發(fā)送需要的數據。若是充電狀態(tài)設置指令，則依據指令設置充電單元的充電狀態(tài)。

4 通信協(xié)議的實(shí)現

通過(guò)與電池組中電能計量芯片通信的方法來(lái)判斷電池的性質(zhì)。本系統可以與遵循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、編號等數據一并讀取，供充電器顯示之用。

充電單元可以通過(guò)HDQ總線(xiàn)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(gè)處理器發(fā)送8位指令碼給智能電池，這個(gè)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(xiě)指令。讀/寫(xiě)指令指示智能電池存儲接下來(lái)的16位數據到一個(gè)指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出 16位數據。在HDQ16里，數據字節(指令)或者字(數據)的最不重要的位會(huì )優(yōu)先傳輸。

一個(gè)塊的傳輸包括三個(gè)不同的部分。第一部分經(jīng)由主機或者智能電池把HDQ16引腳置邏輯低狀態(tài)一個(gè)tSTRH:B時(shí)間后開(kāi)始發(fā)送。接下來(lái)的部分是真正的數據傳輸，數據位在tDSU:B時(shí)間間隔里是有效的，負邊界用來(lái)開(kāi)始通信。數據位被保持一個(gè)tDH:DV時(shí)間間隔，以便允許主機或智能電池采樣數據位。

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

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

5 結語(yǔ)

本方案中介紹的充電系統從技術(shù)上很好地解決了上述問(wèn)題，通過(guò)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、充電及放電電流、電池電壓、容量統計和電池特性等重要內容，并且通過(guò)設定，可以判斷電源是否達到報廢標準，及時(shí)提醒操作者更新電源。經(jīng)驗證，本方案具有較強的實(shí)用性。