鋰離子電池智能充電器硬件的設計

　　鋰離子電池具有較高的能量重量和能量體積比，無(wú)記憶效應，可重復充電次數多，使用壽命長(cháng)，價(jià)格也越來(lái)越低。一個(gè)良好的充電器可使電池具有較長(cháng)的壽命。利用C8051F310單片機設計的智能充電器，具有較高的測量精度，可很好的控制充電電流的大小，適時(shí)的調整，并可根據充電的狀態(tài)判斷充電的時(shí)間，及時(shí)終止充電，以避免電池的過(guò)充。

　　本文討論使用C8051F310器件設計鋰離子電池充電器的。利用PWM脈寬調制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源，以適應不同階段的充電電流的要求。溫度傳感器對電池溫度進(jìn)行監測，并通過(guò)AD轉換和相關(guān)計算檢測電池充電電壓和電流，以判斷電池到達哪個(gè)階段。使電池具有更長(cháng)的使用壽命，更有效的充電方法。

　　設計過(guò)程

　　1 充電原理

　　電池的特性唯一地決定其安全性能和充電的效率。電池的最佳充電方法是由電池的化學(xué)成分決定的（鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是SLA電池等）。盡管如此，大多數充電方案都包含下面的三個(gè)階段：

低電流調節階段
恒流階段
恒壓階段/充電終止

　　所有電池都是通過(guò)向自身傳輸電能的方法進(jìn)行充電的，一節電池的最大充電電流取決于電池的額定容量（C）例如，一節容量為1000mAh的電池在充電電流為1000mA時(shí)，可以充電1C(電池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的電流給電池充電。盡管如此，這只是一個(gè)普通的低電流充電方式，不適用于要求短充電時(shí)間的快速充電方案。

　　現在使用的大多數充電器在給電池充電時(shí)都是既使用低電流充電方式又使用額定充電電流的方法，即容積充電，低充電電流通常使用在充電的初始階段。在這一階段，需要將會(huì )導致充電過(guò)程終止的芯片初期的自熱效應減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲的。在電池充電的最后階段，通常充電時(shí)間的絕大部分都是消耗在這一階段，可以通過(guò)監測電流、電壓或兩者的值來(lái)決定何時(shí)結束充電。同樣，結束方案依賴(lài)于電池的化學(xué)特性，例如：大多數鋰離子電池充電器都是將電池電壓保持在恒定值，同時(shí)檢測最低電流。鎳鎘、NiCd電池用電壓或溫度的變化率來(lái)決定充電的結束時(shí)間。

　　充電時(shí)部分電能被轉換成熱能，直至電池充滿(mǎn)。而充滿(mǎn)后，所有的電能將全部被轉換成熱能。如果此時(shí)不終止充電，電池就會(huì )被損壞或燒毀?？焖俪潆娖麟姵兀ㄍ耆錆M(mǎn)的時(shí)間小于兩小時(shí)的充電器）則可以解決這個(gè)問(wèn)題，因為這些充電器是使用高充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間的。因此，對于鋰離子電池來(lái)說(shuō),監測它的溫度是至關(guān)重要的，因為電池在過(guò)充電時(shí)會(huì )發(fā)生爆裂，在所有的充電階段都應該隨時(shí)監測溫度的變化，并且在溫度超過(guò)最大設定值時(shí)立即停止充電。

　　2 總體設計

　　充電電路由三部分：控制部分，檢測部分及充電部分組成。如圖1所示，采用F310單片機進(jìn)行充電控制，單片機本身具有脈寬調制PWM型開(kāi)關(guān)穩壓電源所需的全部功能，具有10位A/D轉換器。利用單片機A/D端口，構成電池電壓，電流，溫度檢測電路。

圖1 鋰離子電池充電模塊圖

　　單片機通過(guò)電壓反饋和電流反饋信號，直接利用PWM輸出將數字電壓信號并轉化成模擬電壓信號，能夠保證控制精度。

　　3 控制部分電路設計

　　C8051F310單片機

　?、倌M外設

　　a.10位ADC：轉換速度可達200ks/s,可多達21或17個(gè)外部單端或差分輸入，VREF可在外部引腳或VDD中選擇，內置溫度傳感器（±3℃），外部轉換啟動(dòng)輸入；

　　b.兩個(gè)模擬比較器：可編程回差電壓和響應時(shí)間，可配置為中斷或復位源，小電流（〈0.5μA）。

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