吳桂才，黃 鷺

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，各類移動(dòng)手持設(shè)備的大量涌現(xiàn)[1]，以智能手機(jī)為代表的數(shù)碼通訊產(chǎn)品的性能不斷提高，因而對(duì)電池的使用要求越來(lái)越高，電池的使用壽命是影響手機(jī)性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[2]。鋰電池的充電方式對(duì)電池的壽命有著很大的影響[3]，目前主流的鋰電池充電方式有恒壓恒流充電、脈沖充電、智能控制充電[4]等。圖1 所示為市面上一種電池座充，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰電池充電的研究有很多，例如Hussein A H[5]對(duì)鋰電池脈沖充電的研究；李冶[6]對(duì)鋰電池恒壓恒流充電的研究。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究，提出了一種基于智能控制的鋰電池充電監(jiān)控方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心，功能模塊電路作為控制器的外圍電路的硬件設(shè)計(jì)，再進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)鋰電池的智能充電和監(jiān)控設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具備鋰電池?cái)嚯姡瑱z測(cè)，指示，報(bào)警等相關(guān)功能。本文首先對(duì)鋰電池的充電原理進(jìn)行概述，其次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，再次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后得出結(jié)論。測(cè)試結(jié)果表明，該方案相對(duì)于其他充電方案，可以更好地滿足充電要求，并極大地提高了鋰電池壽命，可用于鋰電池充電推廣。

圖1 電池座充

1 充電原理和電路

1.1 充電原理

本文采用的智能控制充電，主要是在鋰電池的恒流-恒壓充電的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確控制。恒流-恒壓充電模式包括了預(yù)充、激活、恒流和恒壓[7]階段。如圖2 所示，充電開(kāi)始為預(yù)充階段，以檢查電池狀況是否可用。在此階段中，一般給電池充入少量的電流，俗稱預(yù)充電，這時(shí)在檢測(cè)鋰電池電壓，若電池電壓逐步上升到3.2 V，則判斷電池可用，此時(shí)便進(jìn)入激活模式。在激活模式中，給電池提供預(yù)充階段相同的電流，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓上升到3.6 V時(shí)，則進(jìn)入恒流模式，即快速充電模式。此階段，會(huì)給電池提供一個(gè)小于或等于電池容量的恒定電流進(jìn)行快充；當(dāng)檢測(cè)到電池電壓上升到4.15 V 時(shí)，此電壓值接近電池的額定電壓，恒流模式階段結(jié)束。此時(shí)充電進(jìn)入最后一個(gè)階段，恒壓模式階段；此時(shí)保持鋰電池兩端的充電電壓4.2 V不變，如果此時(shí)還是保持充電電流不變的話，電池的電壓會(huì)超過(guò)4.2 V，從而對(duì)電池造成損傷。所以，當(dāng)恒壓階段，保持鋰電池兩端的充電電壓為4.2 V 時(shí)，充電的電流隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢降低，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓為4.2 V 時(shí)，充電電流減小到某一規(guī)定的值，則認(rèn)為電池電量充滿，整個(gè)充電過(guò)程結(jié)束[8]。所采用的智能充電，在此基礎(chǔ)上檢測(cè)充電處于什么狀態(tài)，然后軟件調(diào)整充電觸發(fā)引腳的PWM占空比，實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)下高精度控制充電。

圖2 電池正常的充電曲線

1.2 充電電路

鋰電池充電電路的核心是電流電壓控制電路，采用電壓源和電流反饋技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建設(shè)計(jì)。如圖3 所示，其工作原理是典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)[9]。當(dāng)充電時(shí)，充電電流通過(guò)檢測(cè)電阻Rs，可獲得檢測(cè)電阻Rs兩端電壓，使用單片機(jī)監(jiān)測(cè)該電壓，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流。鋰電池兩端并聯(lián)電阻R1 和R2，通過(guò)調(diào)整R1 和R2 的阻值，使得R2端的電壓值在單片機(jī)可測(cè)量的適當(dāng)范圍，即可計(jì)算出鋰電池電池的電壓，從而判斷充電所處的狀態(tài)。R5的前端接單片機(jī)引腳，通過(guò)軟件編程，使單片機(jī)引腳產(chǎn)生脈寬調(diào)制器（PWM）信號(hào)，可控制晶體管Q2 的導(dǎo)通，從而控制晶體管Q1 的導(dǎo)通。Q1 的導(dǎo)通與否即決定了電池的充電方式。

圖3 電流控制電路

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)電池的充電原理和單片機(jī)相關(guān)組成知識(shí)，對(duì)方案進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，系統(tǒng)主要由電源、單片機(jī)、充電電路、檢測(cè)保護(hù)電路和狀態(tài)指示組成。其中，電源主要是用于單片機(jī)系統(tǒng)供電和給充電電路提供充電電壓；單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心，主要做控制充電電路，運(yùn)算處理，輸出反饋信號(hào)作用；充電電路用于鋰電池的充電；保護(hù)監(jiān)測(cè)電路用于保護(hù)鋰電池不過(guò)沖和監(jiān)測(cè)鋰電池電壓；狀態(tài)指示主要配合單片機(jī)進(jìn)行配合，顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本文研究的系統(tǒng)電路，其核心電路如圖5 所示，使用的核心器件是ABOV80F0504 單片機(jī)，它是一款擁有4k 字節(jié)的FLASH 程序存儲(chǔ)器的CMOS 8 位單片機(jī)。該芯片具有以下特點(diǎn)：4k 字節(jié)FLASH，256 字節(jié)的RAM，8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，看門狗定時(shí)器，片內(nèi)上電復(fù)位，10位A/D轉(zhuǎn)換，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)口，10位PWM 輸出和片內(nèi)晶振和時(shí)鐘電路，另外，可以支持節(jié)電模式以降低功耗[10]。通過(guò)單片機(jī)和其外圍的充電電路、檢測(cè)保護(hù)電路、狀態(tài)顯示電路及電源等進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)，完成功能設(shè)計(jì)，下面對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.2 充電電路

如圖5 所示，通過(guò)U1 TL431，使運(yùn)算放大器AS358的5 端固定在2.5 V，6 端接單片機(jī)16 引腳，單片機(jī)16 引腳輸出PWM 信號(hào)，7端為輸出。經(jīng)過(guò)運(yùn)放輸出到7端，7端控制MOS 管Q20 和PNP 三極管Q21 組成的復(fù)合管進(jìn)行對(duì)電池充電進(jìn)行控制。充電狀態(tài)控制開(kāi)關(guān)控制MOS 管Q22，當(dāng)單片機(jī)引腳13 高電平時(shí)，Q22 閉合；低電平時(shí)，Q22斷開(kāi)。

圖5 系統(tǒng)電路原理

對(duì)于涓流和恒壓狀態(tài)，13 引腳低電平，Q22 斷開(kāi)，運(yùn)放反饋只有一個(gè)電容C20 串聯(lián)電阻R22，類似于一個(gè)快速積分電路[11]。對(duì)于恒流狀態(tài)，13 引腳高電平，Q22閉合，運(yùn)放反饋是C20 和C21 的并聯(lián)，可以等效于一個(gè)慢速積分電路。通過(guò)單片機(jī)15引腳檢測(cè)電池電壓，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部子程序處理，使16 引腳進(jìn)行不同占空比的PWM輸出，從而通過(guò)運(yùn)放輸出控制充電電流。

當(dāng)電池的電壓達(dá)到4.2 V 時(shí)，電池兩端并聯(lián)2 個(gè)電阻，R20 為82 kΩ，R21 為120 kΩ，2 個(gè)電阻的交點(diǎn)與運(yùn)算放大器6端相連。根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷，6點(diǎn)電壓約為2.5 V，所以把電池的電壓鉗住為4.2 V。此時(shí)通過(guò)16 引腳的PWM 程序使充電電流不斷減小，當(dāng)電流減小到程序設(shè)定的規(guī)定值時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到此電流的通過(guò)取樣電阻進(jìn)行放大的電壓信號(hào)，當(dāng)電壓信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)的16引腳置高，運(yùn)放輸出為低電平，充電結(jié)束。

3.3 檢測(cè)保護(hù)電路

（1）電池溫度檢測(cè)及靜電保護(hù)

圖5 中電池的熱敏電阻在電池內(nèi)部，為NTC，當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，V/F 點(diǎn)的電壓發(fā)生變化，從而單片機(jī)的14引腳接收電壓的數(shù)值發(fā)生變化，從而對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)。與NTC 并聯(lián)的為一個(gè)壓敏電阻VR，此為靜電保護(hù)，當(dāng)V/F 點(diǎn)有靜電時(shí)，VR 壓敏電阻擊穿，從而消除靜電，保護(hù)單片機(jī)的I/O引腳。

（2）PCB板溫度監(jiān)控

此監(jiān)控如圖5 所示，R11=TH1，R26=R27；可以等效為一個(gè)惠斯通電橋，R11、TH1、R26、R27 分別構(gòu)成4 個(gè)橋臂，當(dāng)熱敏電阻TH1 阻值發(fā)生變化時(shí)引起單片機(jī)1、3引腳的電壓值的不同，從而對(duì)PCB板溫度進(jìn)行監(jiān)控。

（3）電池電壓監(jiān)控

如圖5 所示，電池通過(guò)電阻R14 直接與單片機(jī)15 引腳相連，對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)控。

（4）充電截止電流檢測(cè)

如圖5 所示，充電的電流通過(guò)一個(gè)取樣電阻SR11（阻值大小約為0.2 Ω），在電阻SR11 上電壓經(jīng)過(guò)AS358的另外一個(gè)運(yùn)算放大器對(duì)其電壓進(jìn)行放大，此時(shí)運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)同相比例放大器，把3點(diǎn)電壓進(jìn)行放大到1點(diǎn)，再與單片機(jī)2引腳進(jìn)行連接，通過(guò)監(jiān)控1點(diǎn)電壓，檢測(cè)充電截止電流大小，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3.4 狀態(tài)指示電路

LED 分別連著單片機(jī)的9、10 引腳，單片機(jī)根據(jù)不同的狀態(tài)和檢測(cè)判斷，對(duì)9、10 引腳的輸出進(jìn)行控制，從而發(fā)出紅光（正在充電），綠光（充電完成），黃光（警告，未充電）。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）電池檢測(cè)子程序。系統(tǒng)首先要檢查電池是否有電池接入，準(zhǔn)備充電，同時(shí)還必須檢測(cè)電池是否可用。（2）數(shù)據(jù)采樣子程序。采集的模擬量有電池的電壓，充電電流，PCB 溫度，BAT 溫度，并完成A/D 轉(zhuǎn)換和采樣。（3）數(shù)據(jù)量化子程序。將采樣的數(shù)據(jù)同系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，量化得出PWM脈寬值。（4）脈寬調(diào)制輸出程序。實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的控制，即根據(jù)電池的充電曲線，由單片機(jī)PWM脈寬調(diào)制輸出不同的脈寬的信號(hào)，從而控制電路和開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的合理充電。（5）顯示子程序。包括：故障報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警，閃黃燈；正常充電顯示，當(dāng)系統(tǒng)正在給手機(jī)電池充電時(shí)的顯示，閃紅燈；充電完成顯示，當(dāng)電池充電完成時(shí)顯示，閃綠燈。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的鋰電池智能充電和監(jiān)控系統(tǒng)，能適應(yīng)與不用狀態(tài)下鋰電池的充電控制。鋰電池的充電不同于一般電源控制，由于其電化學(xué)特性導(dǎo)致充電速度較為緩慢[12]，除了鋰電池本身的一些保護(hù)以外，其他控制無(wú)須在幾百毫秒甚至幾秒之內(nèi)發(fā)送，所以利用單片機(jī)進(jìn)行PWM智能控制充電切實(shí)可靠和可行，且比傳統(tǒng)恒壓恒流充電更為高效，不僅能有效對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，而且能更大限度地保養(yǎng)電池，延長(zhǎng)電池壽命，提高電池的使用率。