鋰離子電池智能充電器硬件的設(shè)計(jì)
摘要:鋰離子電池具有較高的能量重量和能量體積比,無記憶效應(yīng),可重復(fù)充電次數(shù)多,使用壽命長,價(jià)格也越來越低。一個(gè)良好的充電器可使電池具有較長的壽命。利用C8051F310單片機(jī)設(shè)計(jì)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(diào)整,并可根據(jù)充電的狀態(tài)判斷充電的時(shí)間,及時(shí)終止充電,以避免電池的過充。
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???? 鋰離子電池具有較高的能量重量和能量體積比,無記憶效應(yīng),可重復(fù)充電次數(shù)多,使用壽命長,價(jià)格也越來越低。一個(gè)良好的充電器可使電池具有較長的壽命。利用C8051F310單片機(jī)設(shè)計(jì)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(diào)整,并可根據(jù)充電的狀態(tài)判斷充電的時(shí)間,及時(shí)終止充電,以避免電池的過充。
??? 本文討論使用C8051F310器件設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器的。利用PWM脈寬調(diào)制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源,以適應(yīng)不同階段的充電電流的要求。溫度傳感器對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)測,并通過AD轉(zhuǎn)換和相關(guān)計(jì)算檢測電池充電電壓和電流,以判斷電池到達(dá)哪個(gè)階段。使電池具有更長的使用壽命,更有效的充電方
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設(shè)計(jì)過程
??? 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(shù)充電方案都包含下面的三個(gè)階段:
??? ● 低電流調(diào)節(jié)階段
??? ● 恒流階段
??? ● 恒壓階段/充電終止
??? 所有電池都是通過向自身傳輸電能的方法進(jìn)行充電的,一節(jié)電池的最大充電電流取決于電池的額定容量(C)例如,一節(jié)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(xiàn)在使用的大多數(shù)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(dǎo)致充電過程終止的芯片初期的自熱效應(yīng)減小到最低程度,容積充電通常用在充電的中級(jí)階段,電池的大部分能量都是在這一階段存儲(chǔ)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,可以通過監(jiān)測電流、電壓或兩者的值來決定何時(shí)結(jié)束充電。同樣,結(jié)束方案依賴于電池的化學(xué)特性,例如:大多數(shù)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決定充電的結(jié)束時(shí)間。
??? 充電時(shí)部分電能被轉(zhuǎn)換成熱能,直至電池充滿。而充滿后,所有的電能將全部被轉(zhuǎn)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。快速充電器電池(完全充滿的時(shí)間小于兩小時(shí)的充電器)則可以解決這個(gè)問題,因?yàn)檫@些充電器是使用高充電電流來縮短充電時(shí)間的。因此,對(duì)于鋰離子電池來說,監(jiān)測它的溫度是至關(guān)重要的,因?yàn)殡姵卦谶^充電時(shí)會(huì)發(fā)生爆裂,在所有的充電階段都應(yīng)該隨時(shí)監(jiān)測溫度的變化,并且在溫度超過最大設(shè)定值時(shí)立即停止充電。
?2 總體設(shè)計(jì)
??? 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(jī)進(jìn)行充電控制,單片機(jī)本身具有脈寬調(diào)制PWM型開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能,具有10位A/D轉(zhuǎn)換器。利用單片機(jī)A/D端口,構(gòu)成電池電壓,電流,溫度檢測電路。
??? 單片機(jī)通過電壓反饋和電流反饋信號(hào),直接利用PWM輸出將數(shù)字電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào),能夠保證控制精度。
??? 3 控制部分電路設(shè)計(jì)
??? C8051F310單片機(jī)
??? ①模擬外設(shè)
??? a.10位ADC:轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200ks/s,可多達(dá)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(nèi)置溫度傳感器(±3℃),外部轉(zhuǎn)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(yīng)時(shí)間,可配置為中斷或復(fù)位源,小電流(〈0.5μA)。
??? ②供電電壓
??? a.典型工作電流:5mA、25MHz;
??? b.典型停機(jī)電流:0.1μA;
??? c.溫度范圍:-40~+85℃。
??? ③高速8051微控制器內(nèi)核
??? a.流水線指令結(jié)構(gòu):70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期;
??? b.速度可達(dá)25MI/s(時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí));
??? c.擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。
??? ④數(shù)字外設(shè)
??? a.29/25個(gè)端口I/O:所有的口線均耐5V電壓;
??? b.4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器;
??? c.16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA),有5個(gè)捕捉/比較模塊;
??? d.使用PCA或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式。
??? 控制電路中如圖2所示,P0.3口提供充電電源,P0.6口檢測充電電壓的大小,P0.5口檢測充電電流的大小,P0.4口檢測電池的溫度。
??? 充電電流由單片機(jī)脈寬調(diào)制PWM產(chǎn)生,充電電流由AD轉(zhuǎn)換再經(jīng)過計(jì)算得出。?
??? 4 充電部分及檢測部分電路設(shè)
圖3為充電電路與檢測電路圖。
??? ①充電過程曲
??? 如圖4所示,充電過程由預(yù)充狀態(tài),恒流充電狀態(tài)和恒壓充電狀態(tài)組成。
??? ②快速轉(zhuǎn)換器
??? 實(shí)現(xiàn)漸弱終止充電器的最經(jīng)濟(jì)的方法就是用一個(gè)快速轉(zhuǎn)換器。快速轉(zhuǎn)換器是用一個(gè)電感和/或一個(gè)變壓器(需要隔離的時(shí)候用變壓器)作為能量存儲(chǔ)單元以離散的能量包的形式將能量從輸入傳輸至輸出的開關(guān)調(diào)節(jié)器反饋電路,通過晶體管來調(diào)節(jié)能量的傳輸,同時(shí)也作為過濾開關(guān),以確保電壓或電流在負(fù)載時(shí)保持恒定。
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?????????????????????????? a 開關(guān)閉合?????? b 開關(guān)打開
??? 快速調(diào)節(jié)器的操作是通過控制一個(gè)晶體管開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)的。占空比會(huì)自動(dòng)增加以使電池流入更多的電流。當(dāng)VBATT
??? ③電感的確定
??? 電感對(duì)交流電是有阻礙作用的。在交流電頻率一定的情況下,電感量越大,對(duì)交流電的阻礙能力越強(qiáng)??一定的情況下,交流電的頻率越高,電感對(duì)交流電的阻礙能力越大,頻率越低,電感對(duì)交流電的阻礙能力越小。也就是說,電感有阻止交流電通過的特性。
其工作原理是這樣的:當(dāng)負(fù)載兩端的電壓要降低時(shí),通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用,外部電源對(duì)電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的額定電壓。當(dāng)負(fù)載兩端地電壓升高時(shí),通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用,外部電源供電斷開,電感釋放出剛才充入的能量,這時(shí)電感就變成了電源繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。隨著電感上存儲(chǔ)的能量地消耗。負(fù)載兩端的電壓開始逐漸降低,外部電源通過MOSFET場效應(yīng)管的開關(guān)作用又要充電。依次類推在不斷的充電和放電的過程中形成了一種穩(wěn)定的電壓,永遠(yuǎn)使負(fù)載兩端地電壓不會(huì)升高也不會(huì)降低,這就是開關(guān)電源的最大優(yōu)勢(shì)。
??? 要確定快速轉(zhuǎn)換器中電感的大小首先應(yīng)假定晶體管的占空比為50%,因?yàn)榇藭r(shí)的轉(zhuǎn)換器操作操作效率最高。占空比由方程式1給出:
(其中T是PWM的周期在程序示例中T=10.5s)
??? 占空比=ton/T??????????? (1)
??? 至此就可以選擇一個(gè)PWM的轉(zhuǎn)換頻率(如方程式2所示)PWM的轉(zhuǎn)換頻率越大,則電感的值越小,也越節(jié)約成本。
??? 我的示例代碼配置F310的8位硬件PWM是使用內(nèi)部24.5MHz主時(shí)鐘的256分頻來產(chǎn)生一個(gè)95.7kHz的轉(zhuǎn)換速率。
??? L=(Vi-Vsat-Voton)/2Iomax?? (2)
??? 現(xiàn)在我們可以計(jì)算電感的大小了,假定充電電壓Vi的值為15V,飽和電壓Vsat的值為0.5V,需要獲得的輸出電壓值為4.2V,并且最大輸出電流IOMAX為1500mA,那么,電感的值至少應(yīng)選為18H。
??? 需要注意的是:在本電路中的電容僅僅是一個(gè)紋波衰減器,因?yàn)榧y波與電容的大小成反比例關(guān)系,所以電容的值越大,衰減效果越好。
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