一種高性?xún)r(jià)比的11.1V鋰電池充電器的設計方案

引言

11.1V鋰電池常用于涵道機、固定翼、直升機等航模中，具有放電穩定，工作溫度寬；允許較大的充電電流、充電速度快，僅需1~2個(gè)小時(shí)就可以充滿(mǎn)；無(wú)記憶效應；自放電率低，儲存壽命長(cháng);能量高、儲存能量密度大；輸出電壓高(單節鋰電池的額定電壓一般為3.6V。而單節鎳氫和鎳鎘電池的電壓只有 1.2V)等優(yōu)點(diǎn)。但鋰電池在使用過(guò)程中也存在嬌氣的一面。在對鋰電池進(jìn)行充電時(shí)要防止過(guò)度充電，如果充電電壓高于規定電壓或充電電流大于規定電流，就會(huì )損壞鋰電池或者使之報廢。在過(guò)充電的情況下，能量過(guò)剩鋰電池溫度上升，電解液將分解產(chǎn)生氣體，使之內壓上升而導致自燃或破裂的危險。通常單節鋰電池的終止充電電壓為4.2V，精度控制在±1%之內，充電電流不大于1C(C代表充放電速率，1C代表電池正好在1小時(shí)內，充滿(mǎn)電或放完電所要求的速率)。鋰電池在使用時(shí)也要防止過(guò)度放電，過(guò)度放電會(huì )導致電池特性及耐久性變差，可充電次數降低。通常要求放電電流不大于 2C，終止放電電壓控制在2.4~2.7V左右。

充電電路結構設計分析

鋰電池在充電過(guò)程中需要控制它的充電電壓和充電電流并精確測量電池電壓，根據鋰電池電壓將充電過(guò)程分為四個(gè)階段。每個(gè)階段的需要用不同的電壓和電流進(jìn)行充電，下面以單節鋰電池為例分別說(shuō)明每個(gè)階段的狀態(tài)。階段一為預充電，先用0.1C的小電流對鋰電池進(jìn)行預充電，當電池電壓≥2.5V時(shí)轉到下一階段。階段二為恒流充電，用1C的恒定電流對鋰電池快速充電，點(diǎn)電池電壓≥4.2V時(shí)轉到下一階段。階段三為恒壓充電，逐漸減小充電電流，保證電池電壓恒定=4.2V，當充電電流≤0.1C時(shí)轉到下一階段。階段四為涓流充電，恒壓充電結束后，電池已經(jīng)基本充滿(mǎn)，為了維持電池電壓，可以用0.1C甚至更小的電流對電池進(jìn)行補充充電，到此鋰電池充電過(guò)程結束。

充電器的硬件電路設計

本系統主要有微控制器、電壓檢測電路、電流檢測電路、電池狀態(tài)指示電路和充電控制電路組成，電路原理圖如圖1所示。

1、主控芯片

本系統采用ATmega8作為控制核心。

ATmega8是AVR一款高性能、低功耗的微處理器。它采用先進(jìn)的RISC結構，共有130條指令，大多數指令執行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，具有32 個(gè)8位通用工作寄存器，工作于16MHz時(shí)性能高達16MIPS；只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；8K 字節的系統內可編程Flash;獨立鎖定位的可選Boot代碼區；512字節的E2PROM；1K字節的片內SRAM；兩個(gè)具有獨立預分頻8位定時(shí)/計數器；23個(gè)可編程I/O口;8路10位ADC；三通道PWM；實(shí)時(shí)計數器RTC；面向字節的兩線(xiàn)接口；兩個(gè)USART接口；可工作于主機/從機模式的 SPI接口；片內看門(mén)狗定時(shí)器;片內模擬比較器等內部資源。

2、電壓檢測電路

由于A(yíng)Tmega8的ADC的參考電壓設置為3.072V，而電池在充電過(guò)程中電壓可以高達12.6V，因此需要將電池電壓按比例縮小后才能送入ATmega8的ADC口進(jìn)行采集。

本電路由一個(gè)同相器和20K的可調電阻構成，電池電壓輸入到由LM324構成的同相器后，經(jīng)同相器隔離緩沖后輸出到20K的可調電阻，通過(guò)調節可調電阻使輸入到ATmega8的ADC口的電壓為電池電壓的五分之一。3、電流檢測電路

電流檢測電路由一個(gè)1Ω/1W的檢測電阻和一個(gè)同相器構成。充電電流在流經(jīng)檢測電阻時(shí)將產(chǎn)生壓降，同過(guò)測量檢測電阻的電壓即可獲知充電電流的大小，同相器起到隔離緩沖的作用。