基于單片機(jī)的磷酸鐵鋰電池充電電路設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、 基于單片機(jī)的磷酸鐵鋰電池充電電路設(shè)計(jì) 摘 要磷酸鐵鋰電池，全程磷酸鐵鋰鋰離子電池，作為重要組成部分的車用動(dòng)力電池，目前已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和投資界的高度關(guān)注。而磷酸鐵鋰電池如此火熱的同時(shí)，相應(yīng)的充電電路卻由于種種原因暫未得到大規(guī)模普及應(yīng)用。這里就提出一種設(shè)計(jì)方案，能解決同時(shí)對16路單節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電，每一路可完成自動(dòng)檢測，自充電，給出電池是否正常的指示。其主控芯片為atmega16單片機(jī)，atmega16速度快、片上資源豐富、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、自帶8路10位ad轉(zhuǎn)換模塊，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。同時(shí)，電路還利用熱敏電阻對電池組進(jìn)行溫度采樣監(jiān)控，當(dāng)溫度過高時(shí)，報(bào)警、并斷開所有電池充電電源，保

2、證充電電路和電池組的安全。關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰，充電控制，avr單片機(jī)abstractlithium iron phosphate batteries, whose whole name is lithium iron phosphate lithium-ion battery, has caused great concern in academia, industry and the investment community, as an important part of the cars power battery. as the popular time of lithium iron

3、phosphate batteries, the charging circuit have not yet to get mass adoption application for various reasons.here we proposed a design to solve that charge 16 single-cell lithium iron phosphate battery the same time, and each road can be completed by the automatic detection, and giving the normal ins

4、tructions of the battery. atmega16 microcontroller ,as the main chip, with resource-rich on-chip drive capability, and 10 8-channel ad converter, is able to meet the control requirements of the system. the charging circuit can sample the battery pack with the help of the thermistor to monitor the te

5、mperature too. when the temperature is too high, the charging circuit warning, and disconnect all battery charging power supply, to ensure the safety of the charging circuit and battery pack.keywords：lithium iron phosphate, charge control, avr microcontroller目 錄1 前言11.1磷酸鐵鋰電池充電電路簡介11.2充電電路的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.

6、1充電電路國內(nèi)外市場現(xiàn)狀11.2.2充電器的發(fā)展方向21.3本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)22 磷酸鐵鋰電池充電電路的方案22.1 充電電路的工作原理32.1.1 磷酸鐵鋰電池簡介32.1.2 磷酸鐵鋰電池的充電特性42.1.3 磷酸鐵鋰電池對充電電路的性能要求42.2 充電電路的設(shè)計(jì)52.2.1 avr單片機(jī)介紹52.2.2 充電控制電路流程控制62.3 可能遇到的難點(diǎn)以及應(yīng)對解決方案73 磷酸鐵鋰電池充電電路設(shè)計(jì)83.1 avr單片機(jī)供電電源部分設(shè)計(jì)83.2 ad轉(zhuǎn)換采樣部分設(shè)計(jì)83.2.1 重要原件介紹93.2.2 單路電池電壓采樣的工作原理93.2.3 多路電池電壓采樣的工作原理103.3 液晶屏1

7、602顯示部分113.4 恒流恒壓切換部分設(shè)計(jì)113.5 過熱保護(hù)部分124 avr單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)要求124.1 avr單片機(jī)程序設(shè)計(jì)要求134.2 avr單片機(jī)程序流程圖134.3 模塊化的程序144.3.1 ad采樣子程序154.3.2 液晶顯示子程序154.3.3 延時(shí)子程序154.3.4 保護(hù)電路165 結(jié)束語16致謝16參考文獻(xiàn)17 1 前言1.1磷酸鐵鋰電池充電電路簡介近年來，隨著石油資源成本價(jià)格的日益上漲，電動(dòng)汽車的發(fā)明為解決傳統(tǒng)能源危機(jī)問題應(yīng)運(yùn)而生，電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展可謂風(fēng)起云涌，而作為重要組成部分的車用動(dòng)力電池，已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和投資界的高度關(guān)注。磷酸鐵鋰鋰離子電池現(xiàn)處

8、于剛起步的階段，按照動(dòng)力電池發(fā)展的要求，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池一般為多節(jié)串并聯(lián)組成電池組工作，而其充電電路就要求能對電池組內(nèi)多節(jié)電池同時(shí)進(jìn)行快速充電。考慮到不同單節(jié)電池可能存在一定的差異性，而傳統(tǒng)串聯(lián)充電方式就存在一定的問題：容量小、電壓高的電池先充滿，而容量大、電壓低的電池還未充滿。此時(shí)，出于安全起見，就應(yīng)停止對串聯(lián)電池組的充電，這樣的話，就存在電池組不能充滿至完全容量的問題。久而久之，電池組內(nèi)電芯還會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化，既浪費(fèi)電池資源，又縮短電池組壽命。因此設(shè)計(jì)出此充電電路，針對電池組內(nèi)每節(jié)電池進(jìn)行單獨(dú)充電控制，實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池利用最大化。此電路采用avr單片機(jī)作為主控制器。avr系列的atmega

9、16單片機(jī)具有速度快、片上資源豐富、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、性價(jià)比高、保密性好等特點(diǎn)。其內(nèi)部資源也非常豐富，自帶8路10位ad轉(zhuǎn)換模塊，能對每節(jié)電池進(jìn)行單獨(dú)采樣，單獨(dú)控制其充電進(jìn)程，對這項(xiàng)功能的開發(fā)可以很好的解決傳統(tǒng)充電方式的不足，因此atmega16單片機(jī)就成為設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰鋰離子電池充電電路的主控芯片的最佳選擇。1.2充電電路的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1充電電路國內(nèi)外市場現(xiàn)狀2009年國內(nèi)共計(jì)約生產(chǎn)銷售30多萬組電動(dòng)車用鋰離子電池，其中70%以上出口到歐美地區(qū)，國內(nèi)大約占到15%左右。因配套出口的鋰離子電池充電器在安規(guī)、emc等方面要求比較高，能真正滿足要求的生產(chǎn)廠家也就2、3家。但隨著國內(nèi)市場的逐步擴(kuò)

10、大，生產(chǎn)鋰離子電池充電器的廠家也在增多，但現(xiàn)在的品質(zhì)狀況并不樂觀，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）在國內(nèi)由于電動(dòng)車充電器不屬于3c認(rèn)證產(chǎn)品，目前也沒有行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，加上國內(nèi)對充電器管控并不嚴(yán)格，所以國內(nèi)市場使用的充電器跟出口的相比，在價(jià)格上便宜許多，但在符合安規(guī)、使用的材料品質(zhì)、emc等方面還是有很大的差別。（2）由于現(xiàn)在好多生產(chǎn)鋰電池充電器的廠家對產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)不夠了解，特別是對一些容易造成安全隱患的指標(biāo)沒能采取有效的控制，所以現(xiàn)在部分充電器還存在比較大的安全隱患。（3）目前市場上主要有錳鋰電池和鐵鋰電池兩種，兩種電池的充電器充電模式是一樣的，但充電電壓卻不同。像額定電壓為36v的錳鋰電池的充電

11、電壓為42v，而鐵鋰的充電電壓為43.8v,兩種電池的充電器又沒有進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范,這樣就有可能造成混用,從而會(huì)出現(xiàn)過充或充電不足的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)安全隱患。1.2.2充電器的發(fā)展方向（1）出口產(chǎn)品的發(fā)展方向。由于歐美等地區(qū)對充電器管控比較嚴(yán)格，品質(zhì)要求也只會(huì)越來越高。為了確保安全，充電器會(huì)逐步要求增加電池的溫度檢測、定時(shí)關(guān)斷、過充保護(hù)、甚至電池識(shí)別等功能。另外隨著電動(dòng)車新的標(biāo)準(zhǔn)en15194的實(shí)施，國外對充電器符合安規(guī)，特別是emc方面也會(huì)管的更嚴(yán)格。（2）國內(nèi)充電器的發(fā)展方向。一、隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步以及對鋰離子電池的認(rèn)識(shí)加深，對充電器也會(huì)不斷提出新的要求，特別是對過充等帶來安全隱患的方面

12、加強(qiáng)控制。二、電動(dòng)車充電器會(huì)逐步加入3c認(rèn)證的范圍，這樣對提高充電器的品質(zhì)會(huì)有推動(dòng)。三、隨著鋰離子電動(dòng)自行車協(xié)會(huì)的成立，會(huì)逐步出臺(tái)充電器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使充電器更規(guī)范，逐步標(biāo)準(zhǔn)化。1.3本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本設(shè)計(jì)目的就是為解決同時(shí)對16路單節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電，每一路可完成自動(dòng)檢測，自充電動(dòng)。并能在顯示屏上依次顯示每節(jié)電池的電量狀態(tài)，充電方式為：先對電池進(jìn)行電壓檢測，判斷電池狀態(tài)，如果電池電壓不在正常范圍內(nèi)，說明電池已損壞，則不對電池進(jìn)行充電，并給出提示；如果電池電量低，則先進(jìn)行恒流快速充電，當(dāng)電池電壓升至臨界點(diǎn)時(shí)，電路自動(dòng)切換成恒壓充電，并恒壓充電2小時(shí)；若電池電量已經(jīng)接近滿電狀態(tài)，則直接進(jìn)入恒壓

13、充電狀態(tài)，恒壓充電2小時(shí)，即可將電池充滿，隨后切斷該路充電電路電源，停止給電池充電，并點(diǎn)亮指示燈提示用戶該節(jié)電池充滿。在充電的同時(shí)，當(dāng)發(fā)生未知情況，電路過熱的話，有過熱保護(hù)電路及時(shí)切斷電池充電電路，以保證設(shè)備以及電池組的安全。2 磷酸鐵鋰電池充電電路的方案按照設(shè)計(jì)要求，充電電路采用avr系列atmega16單片機(jī)作為主控芯片，atmega16片內(nèi)有8路10位ad轉(zhuǎn)換模塊，處理速度是普通51單片機(jī)的12倍，保密性高，性能足以勝任充電電路的性能要求。由于atmega16只有8路adc，而充電電路要求要為16路磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電，所以要借用cd4051選通器，對前8路和后8路電芯進(jìn)行實(shí)時(shí)切換處理。

14、同時(shí)輔以74f373用以鎖存單路狀態(tài)，由atmega16單片機(jī)循環(huán)檢測控制每路電池充電狀態(tài)，以達(dá)到同時(shí)對16節(jié)磷酸鐵鋰電池充電管理的目的。2.1 充電電路的工作原理2.1.1 磷酸鐵鋰電池簡介目前，已量產(chǎn)應(yīng)用的二次電池種類主要有3種：鉛酸電池、鎳氫電池與鋰離子電池。由于鉛酸電池能量密度小、污染大，故其成本優(yōu)勢不足以抵消劣勢，在車輛動(dòng)力方面僅在小型電動(dòng)自行車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。鎳氫電池現(xiàn)在為混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域應(yīng)用的主要產(chǎn)品，因其制造工藝成熟，購置和使用成本低，故而在短期內(nèi)仍是混合動(dòng)力汽車的首選，但是其比能量較小、自放電率高、充電發(fā)熱和記憶效應(yīng)等方面的問題直接制約到該電池的應(yīng)用，這些缺點(diǎn)的存在致使鎳氫電

15、池可能只作為過渡產(chǎn)品存在。鋰離子電池是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電池，相比鎳氫電池，能夠存儲(chǔ)更多的能量，自放電率小、循環(huán)壽命長、比能量大、無記憶效應(yīng)，能夠滿足對壽命、體積、功率等要求較高的乘用車需求，已成為以后純電動(dòng)汽車應(yīng)用最為理想的產(chǎn)品。鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中，采用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池就稱作磷酸鐵鋰電池，全稱為磷酸鐵鋰鋰離子電池，簡稱磷酸鐵鋰電池。磷酸鋰鐵，又稱磷酸鐵鋰、鋰鐵磷，簡稱lfp，其原物料來源廣泛、價(jià)格低廉且無環(huán)境污染。由于它的性能特別適于作動(dòng)力方面的應(yīng)用，而又稱為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。相比傳統(tǒng)的水溶液

16、二次電池（如鎳氫、鎳鎘和鉛酸電池）而言，磷酸鐵鋰離子電池具有這樣的特點(diǎn)：（1）壽命長。鉛酸電池的循環(huán)壽命一般在300次左右，較好的也只有500次，而磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，循環(huán)壽命可達(dá)2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池正常工作壽命為11.5年時(shí)間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，可達(dá)到78年。綜合考慮，性能價(jià)格比遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)鉛酸電池。（2）能量密度高。磷酸鐵鋰的理論比容量大，為170mah/g，產(chǎn)品實(shí)際比容量可超過140 mah/g。相比傳統(tǒng)鉛酸電池，有很大的比容量優(yōu)勢。（3）充放電性能良好。可以使用大倍率充電，最快可在1小時(shí)內(nèi)將電池充滿；亦可大電流放電，起動(dòng)電流可達(dá)2c，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。（4）工作

17、電壓適中。放電范圍是從3.65v3.0v（可能因生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)工藝的不同而略有差異）。（5）無記憶效應(yīng)。鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，這種電池經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o須先放完再充電，可隨充隨用。綜上所述，磷酸鐵鋰電池的許多關(guān)鍵指標(biāo)均處于領(lǐng)先地位。因而在今電池大戰(zhàn)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，成為最具有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系。2008年8月11日出版的自然材料報(bào)告中指出，磷酸鐵鋰離子電池將會(huì)被用作環(huán)保清潔的電動(dòng)汽車的動(dòng)力裝置，前景被普遍看好。2.1.2 磷酸鐵鋰電池的充電特性由于鋰離子電池的材料特性與傳統(tǒng)二次電池不同，所以鋰離子電池的充電方式和一般二次電池的

18、充電方式也不相同。鋰離子電池的充電方式一般分為以下兩個(gè)階段。(1)恒流充電階段。當(dāng)電池電壓檢測正常（位于2.05v3.6v之間），電路就開始進(jìn)入恒流充電階段。此階段屬于快速充電過程，充電電流很大，充電速度很快。(2)恒壓充電階段。隨著電池充電的進(jìn)行，當(dāng)電池的電壓達(dá)到恒壓門限電壓時(shí)，其充電量接近其容量的4070，隨后，充電器進(jìn)入恒壓充電階段。在恒壓充電階段，當(dāng)充電電流逐漸下降到低于電池的0.1c時(shí)，完成充電過程。磷酸鐵鋰電池作為鋰電池的一種，其充電特性也完全符合以上充電特性，由于磷酸鐵鋰電池的能量密度較其它類型的鋰電池低，所以其最高充電電壓為3.6v，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是3.2v，截止放電電壓是2.0

19、5v。而一般的鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.6v，最高充電電壓為4.2v。因此磷酸鐵鋰電池的充電電路也就與一般的鋰電池充電電路不同。需在原充電電路上做一些新的設(shè)計(jì)，使其適合為磷酸鐵鋰電池充電。2.1.3 磷酸鐵鋰電池對充電電路的性能要求磷酸鐵鋰鋰電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)比較脆弱，對充電電壓，充電電流和溫度都比較敏感，因此充電電路對電池充電狀態(tài)的控制要及時(shí)和精確，不能有過大的誤差。因此，鋰鐵電池需要精密的充電電路以保證充電安全以及充滿，鋰鐵電池的充電要求有：（1）磷酸鐵鋰鋰離子電池的充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議使用，并要求有限流電路以免發(fā)生過流，一般常用的充電速率為0.25c1c。采用0.5c充電時(shí)因充電

20、過程中電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一定的能量損失。（2）磷酸鐵鋰鋰離子電池的充電電路和以往的鎳鎘、鎳氫電池也是完全不同的。因此，鋰離子電池不應(yīng)該借用一般的鎳鎘、鎳氫電池充電器來充電。鋰離子專用充電電路的性能應(yīng)該好于通用充電器（可充鎳鎘、鎳氫電池，也能充鋰電池）。（3）磷酸鐵鋰鋰離子電池充電時(shí)，不僅有橫流充電，還有恒壓充電，所以實(shí)際充電時(shí)間為恒流和恒壓充電時(shí)間之和。電池對溫度也有一定的要求，各生產(chǎn)廠商都給出了充電溫度范圍，放電溫度范圍以及保存溫度范圍。一般情況下，鋰電池的充電溫度為060。如果電池充電電流過大，會(huì)使溫度升高，不僅會(huì)損壞鋰離子電池，而且可能會(huì)產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。因此在大電流充電時(shí)，需要

21、對鋰離子電池進(jìn)行溫度檢測，并在超過高溫閾值時(shí)能自動(dòng)停止充電以保證安全。2.2 充電電路的設(shè)計(jì)綜合前面所述的磷酸鐵鋰電池特性，本文采用通過控制電路切換電池充電電源的方式來設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰電池的充電電路。切換電路的充電方式就是在鋰電池充電的各個(gè)階段，通過檢測電池電壓狀態(tài)，以合適的電源（恒流源或恒壓源）給電池充電，并具備充滿自動(dòng)斷電功能。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于具自動(dòng)適配合適的充電狀態(tài)，有助于維持電池性能，延長電池壽命。研究以往根據(jù)研究電池特性，我們發(fā)現(xiàn)第一階段恒流充電過程中，電池電壓不斷升高，達(dá)到臨界值時(shí)，如果繼續(xù)恒流充電，電池電壓就不再大幅度升高，而電池發(fā)熱量會(huì)增大，這樣就很容易損壞電池。而臨界點(diǎn)之后切換成

22、恒壓充電，充電電流就會(huì)逐漸減小，使電池電量逐漸飽和，這樣的過程非常緩和，電池發(fā)熱量并不大，對電池也無損傷。圖1 是充電電路的電壓和電流變化曲線示意圖。圖1 充電電路的電壓和電流變化曲線2.2.1 avr單片機(jī)介紹avr單片機(jī)是1997年由atmel公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置flash的risc(reduced instruction set cpu) 精簡指令集高速8位單片機(jī)。avr的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。1997年，由atmel公司挪威設(shè)計(jì)中心的a先生和v先生，利用atmel公司的flash新技術(shù)，共同研發(fā)出risc精簡指令集高

23、速8位單片機(jī)，簡稱avr。此設(shè)計(jì)用avr系列里的atmega16作為主控制芯片。atmega16本身自帶10位精度，0.5lsb的非線性度，2lsb的絕對精度，65-260s的高速轉(zhuǎn)換時(shí)間，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)15ksps，8路復(fù)用的單端輸入通道，7路差分輸入通道，2路可選增益為10x與200x的差分輸入通道，可選的左對齊adc讀數(shù)，0-vcc的可調(diào)adc輸入電壓范圍，可選的2.56vadc參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，還可以通過自動(dòng)觸發(fā)中斷源啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換，adc轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。本芯片是以atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)isp flash允許程序存儲(chǔ)器通過isp串行接口，或

24、者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于avr內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用flash存儲(chǔ)區(qū)(application flash memory)。在更新應(yīng)用flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)flash區(qū)(boot flash memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了rww操作。通過將8位risc cpu與系統(tǒng)內(nèi)可編程的flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，atmega16成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。2.2.2 充電控制電路硬件組成結(jié)構(gòu)atmega16單片機(jī)作為控制電路的主控芯片，在整個(gè)充電控制電路中發(fā)揮著不取代的作用。全部硬件電路功

25、能都圍繞著atmega16的控制而展開，其中主要幾個(gè)部分的描述如下：（1）單片機(jī)穩(wěn)壓供電模塊和復(fù)位電路屬于單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)電路。（2）lcd1602液晶屏模塊用于顯示電池的電壓狀態(tài)。（3）報(bào)警裝置在電池充滿或電池有故障時(shí)發(fā)出聲音，提示用戶做出處理。（4）電池溫度采樣模塊作用是實(shí)時(shí)檢測電池組溫度，防止意外高溫，保障電路基本工作安全。（5）74hc4051數(shù)據(jù)選擇器與74hc373鎖存器配合，對各路電池電壓信號進(jìn)行分時(shí)采樣，實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)adc端口有限的情況下，對16路電池進(jìn)行采樣和控制的要求。對應(yīng)充電控制電路硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2充電控制電路硬件組成結(jié)構(gòu)圖2.3 可能遇到的難點(diǎn)以及應(yīng)對解

26、決方案對于磷酸鐵鋰鋰離子電池充電控制電路的設(shè)計(jì)，由于是比較新的電池技術(shù)，相應(yīng)的充電電路可借鑒和研究的資料不是非常充足，我們不得不考慮一些實(shí)現(xiàn)起來有些困難的因素，并提示合適的解決方案。對于一些可能出現(xiàn)的難題和相應(yīng)的解決方案，我們陳列如下：難點(diǎn)1：由于采用avr系列atmega16單片機(jī)作為充電電路主控芯片，atmega16有8個(gè)adc端口，而充電電路設(shè)計(jì)要求能對16節(jié)電池進(jìn)行獨(dú)立充電管理，所以adc采用端口存在不能進(jìn)行一對一采樣分析的問題。相應(yīng)發(fā)解決方案：通過應(yīng)用74hc4051數(shù)據(jù)選擇器與74hc373配合，對各路電池電壓信號進(jìn)行分時(shí)采樣，以實(shí)現(xiàn)利用有限的adc端口對16路電池進(jìn)行采樣檢測和充

27、電控制管理。難點(diǎn)2：由于磷酸鐵鋰電池充電時(shí)，恒流恒壓充電切換點(diǎn)的控制要求很精確，不能有太大誤差，否則電池處于過充狀態(tài)的話，很容易發(fā)熱或造成電池極化縮短電池壽命。解決方案是：（1） 布線時(shí)注意不同線路之間的干擾，盡量降低繼電器等會(huì)產(chǎn)生電磁輻射的原件對控制電路采樣信息的干擾。（2） 采用高品質(zhì)的充電電源，保證恒流充電和恒壓充電（尤其是恒壓充電）時(shí)，電壓電流的精確度，如若電壓偏差或波動(dòng)太大，則可能對電池壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。3 磷酸鐵鋰電池充電電路設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰充電電路按照功能模塊分類，大致可分為五個(gè)部分：（1）avr單片機(jī)供電電源部分；（2）ad采樣部分（采用原因，特點(diǎn)，應(yīng)用功能）（3）1602顯示部

28、分（4）驅(qū)動(dòng)電平部分（5）過熱保護(hù)部分。3.1 avr單片機(jī)供電電源部分設(shè)計(jì)單片機(jī)供電部分采用目前比較成熟的三端穩(wěn)壓集成電路7805。集成穩(wěn)壓器7805模塊具有相對成本較低，穩(wěn)壓效果好，紋波系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，且自帶有過熱過流保護(hù)。7805的外觀象是普通的三極管，它采用to-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的to-92封裝。用78系列三端穩(wěn)壓ic來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓ic型號中的78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6v，7909表示輸出電壓為負(fù)9v，7805則表示輸出電壓為5v。因此三端固定集成穩(wěn)壓電

29、路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。7805的外圍電路相對簡單，輸入端有一個(gè)電解電容和一個(gè)瓷片電容作為簡單濾波，輸出端與輸入端相似，有兩個(gè)電容用以減小輸出紋波電壓，提高電路穩(wěn)定性。另外還有一個(gè)電源反接保護(hù)二極管，用以保護(hù)電源免于人為原因不慎接反造成的ic損壞。其電路圖如圖3所示：圖3 單片機(jī)供電電路3.2 ad轉(zhuǎn)換采樣部分設(shè)計(jì)atmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型adc。adc與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口a 的8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0v (gnd) 為基準(zhǔn)。器件還支持16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(adc1、adc0 與adc3、adc2)有可編程

30、增益級，在a/d 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0db(1x)、20db(10x) 或46db(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(adc1)， 而其他任何adc 輸入可做為正輸入端。如果使用1x 或10x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益，可得到7 位分辨率。adc 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到adc 的電壓保持恒定。adc 的框圖如 figure 98 所示。adc 由avcc 引腳單獨(dú)提供電源。avcc 與vcc 之間的偏差不能超過 0.3v。3.2.1 重要原件介紹cd4051在電路中擔(dān)當(dāng)重要功能，它相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，通過控制接通

31、時(shí)序，能使單片機(jī)的一個(gè)adc端口為8路電池電壓狀態(tài)進(jìn)行采樣。單片機(jī)依次循環(huán)發(fā)出abc三位地址碼，cd4051接通哪一通道，就由輸入的3位地址碼abc來決定?！癷nh”是禁止端，當(dāng)“inh”=1時(shí)，各通道均不接通。此外，cd4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端vee，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的cmos電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰峰值達(dá)15v的交流信號。cd4051的原理圖如圖4所示：圖4 cd4051的原理圖3.2.2 單路電池電壓采樣的工作原理單路采樣的原理相對比較簡單，用avr單片機(jī)ad轉(zhuǎn)換io口直接對輸入的電池模擬電壓進(jìn)行采

32、樣分析，可得出電池端電壓狀態(tài)，從而對電池進(jìn)行充電或狀態(tài)切換控制。3.2.3 多路電池電壓采樣的工作原理而多路采樣的情況下，由于atmega16的io口有限（只有8路ad轉(zhuǎn)換io口），電路要求16路ad采樣，所以應(yīng)用74hc4051數(shù)據(jù)選擇器與74hc373配合，對各路電池電壓信號進(jìn)行分時(shí)采樣，節(jié)約io口資源，提高電路的緊湊性。由于采用統(tǒng)兩路ad轉(zhuǎn)換器，對16路電芯分別進(jìn)行采樣，所以誤差相比多adc方案較小。ad采樣順序，例如，當(dāng)需要采集模擬一路電壓信息時(shí)，c3高電平，選通u4工作，使u4的a1、b1、c1端口輸出0、0、0，選通u1模擬一路，與u1輸出數(shù)據(jù)端x相通，數(shù)據(jù)送入單片機(jī)adc0端口進(jìn)

33、行處理。當(dāng)需要采集模擬二路電壓信息時(shí)，c3高電平，選通u4工作，使u4的a1、b1、c1端口輸出0、0、1，選通u1模擬二路，與u1輸出數(shù)據(jù)端x相通，數(shù)據(jù)送入單片機(jī)adc1端口進(jìn)行處理。余下端口以此類推。對模擬九路采集時(shí)，選通u5，原理與上述芯片u1類同。示意圖與詳細(xì)接口見圖5：圖5 多路采樣的工作原理圖3.3 液晶屏1602顯示部分液晶屏1602是工業(yè)字符型lcd，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符（16列2行）。它具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等特點(diǎn)，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。采用+5v電壓，對比度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路，提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯

34、示移位等多種功能，有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ddram，內(nèi)建有192個(gè)5x7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器cgrom，8個(gè)可由用戶自定義的5x7的字符發(fā)生器cgram。1602識(shí)別的是ascii碼，可以直接用ascii碼賦值，采用串口對1602寫入數(shù)據(jù)，應(yīng)用簡單直接。這里是充電電路全圖的1602液晶屏部分，圖6：圖6 lcd1602液晶屏電路圖3.4 恒流恒壓切換部分設(shè)計(jì)該部分采用兩個(gè)繼電器，分別控制充電電路接通和斷開狀態(tài)以及恒流恒壓充電切換狀態(tài)。采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器吸合，接通對應(yīng)觸點(diǎn)。兩組對應(yīng)出點(diǎn)控制電池的電源接通與恒流恒壓切換。這里，將其一路充電控制原理描述如下，其余15路控制原理于此類同。

35、當(dāng)1q輸入高電平時(shí)，對應(yīng)三極管導(dǎo)通，k1閉合，充電電路開始對電池進(jìn)行恒流充電；當(dāng)q17輸入高電平時(shí)，對應(yīng)三極管帶動(dòng)k2動(dòng)作，將電池充電電路切換至恒壓充電狀態(tài)。具體充電電路如圖7所示：圖7 恒流恒壓切換電路圖3.5 過熱保護(hù)部分此充電電路設(shè)計(jì)有過熱保護(hù)功能，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值60時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)切斷所有充電電源，保護(hù)電池和設(shè)備安全。電路如圖所示，熱敏電阻ptc應(yīng)安置在充電電池組中，溫度過高時(shí)，電阻阻值變大，抬高temp端電壓；此時(shí)由單片機(jī)ad轉(zhuǎn)換口采樣的電壓信號達(dá)到閾值，立即對充電電路發(fā)出斷開信號，實(shí)現(xiàn)斷電動(dòng)作。詳細(xì)電路見圖8：圖8 過熱保護(hù)電路圖4 avr單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)要求avr單片機(jī)的軟件程序

36、應(yīng)滿足及時(shí)準(zhǔn)確的要求，電壓采樣要求達(dá)到一定精度，控制速度快。4.1 avr單片機(jī)程序設(shè)計(jì)要求（1）恒流恒壓切換要求：恒流充電階段充電很快，電流大，所以，當(dāng)電池達(dá)到電壓臨界點(diǎn)時(shí)，充電狀態(tài)切換要求及時(shí)準(zhǔn)確。（2）進(jìn)入恒壓階段要求：根據(jù)電池性能要求，一般經(jīng)過2小時(shí)恒壓充電，電池就可以充滿，所以這里對恒壓充電進(jìn)行定時(shí)設(shè)置，從開始恒壓充電，定時(shí)2小時(shí)后斷開充電電路，提示電池以充滿。4.2 avr單片機(jī)程序流程圖單片機(jī)的程序作用就是控制充電電路按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行控制。首先，上電開機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行初始化程序操作；然后開始檢測電視電壓是否正常（其值應(yīng)為2.053.6v之間），如果電壓不正常，電路或執(zhí)行報(bào)警操作，反

37、之，電路進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，隨即對每節(jié)電池依次檢測電壓是否達(dá)到3.6v，未達(dá)者繼續(xù)恒流充電，達(dá)到3.6v的立即輸出動(dòng)作信號切換至恒壓充電。對恒壓充電的電池，充電2小時(shí)候，斷開電路，發(fā)出提示信號，告訴用戶電池已充滿。見圖9：圖9 avr單片機(jī)程序流程圖4.3 模塊化的程序avr單片機(jī)的程序采用c語言編寫，程序可分為四大部分，包括主程序，ad采樣子程序，液晶顯示子程序，延時(shí)子程序。主程序高速循環(huán)掃描，對每節(jié)電池進(jìn)行循環(huán)短間隔檢測，可以達(dá)到實(shí)時(shí)檢測效果。首先，對端口進(jìn)行配置，先配飾輸出與控制端口，再進(jìn)行ad端口配置，隨后進(jìn)行的事情初始化程序，lcd1602液晶模塊初始化，lcd1602模塊清屏，最后進(jìn)

38、入充電管理功能程序塊，開始正式工作。對電池電壓進(jìn)行采樣，采出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過lcd1602液晶顯示出來；判斷電壓是否正常，正常的話，控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行恒流充電，如果不正常，報(bào)警并顯示錯(cuò)誤；當(dāng)電池達(dá)到恒壓充電切換點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)輸出信號，驅(qū)動(dòng)電路切換至恒壓充電狀態(tài)；并控制定時(shí)器定時(shí)2小時(shí)進(jìn)行恒壓充電。如此循環(huán)，依次反復(fù)掃描個(gè)節(jié)電池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)采樣，實(shí)時(shí)控制。主程序詳細(xì)內(nèi)容如下所示：void main(void) port_init(); ddrd = 0x07; portd = 0xff; ddrc = 0xff; portc = 0xff; time1_init(); f1602_init();

39、f1602_clear(); while(1) /key(); for(i = 0;i 16;i+) ad = mega16_ad(a); ad = ad * 5000 / 1024; delay(1); lcddisplay(); if(2.05 ad 3.6) portd |= 0x70; portc = 0x01; portd &= 0xfb; delay(100); 4.3.1 ad采樣子程序此ad采樣是通過atmega16單片機(jī)內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的。通過配置內(nèi)部單片機(jī)寄存器，讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出電壓值。uint mega16_ad(uchar k) uint addata

40、; /ddra &= 0xfe; /porta &= 0xfe; ddra = 0x00; porta = 0x00; admux = chk; adcsra = 0x80; adcsra |= 0x40; while(!(adcsra & 0x10); addata = adcl; addata = addata + adch * 256; return addata;4.3.2 液晶顯示子程序lcd1602通過d0d7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。其顯示調(diào)用指令不同于傳統(tǒng)51單片機(jī)，但有很大的相似性，經(jīng)過移植修改，可以得到適用于avr單片機(jī)的顯示子程序塊。4.3.3 延時(shí)子程序延時(shí)程序的作用

41、較為簡單，主要是為了消除前次數(shù)據(jù)處理的殘存干擾。使充電電路采樣部分工作更加精確和穩(wěn)定。這里主要有兩個(gè)延時(shí)程序，一個(gè)是毫秒級延時(shí)，一個(gè)是微秒級延時(shí)。詳細(xì)程序如下所示：void delay(uint z) uint i,j; for(i = 0;i z;i+) for(j = 0;j 135;j+);void delay_us(unsigned int x) while(x-);4.3.4 保護(hù)電路保護(hù)電路由定時(shí)器控制，每100ms對熱敏電阻進(jìn)行一次ad采樣，當(dāng)溫度過高時(shí)，報(bào)警，并斷開所有電池充電電路。這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保充電電路和電池的安全。5 結(jié)束語本文介紹了基于atmega16的磷酸鐵

42、鋰鋰離子電池充電控制電路。此電路適用于磷酸鐵鋰電池充電，可以能起到很好的激活電池容量，延長電池壽命的作用，同時(shí)相比固化的電池充電ic專利技術(shù)方案，此電池充電方案雖存在一些問題和不足，但此方案有成本低，可調(diào)整、可定制性強(qiáng)的優(yōu)勢，適合個(gè)人和小企業(yè)用戶自行制作調(diào)試。:其功能可主要概括如下:（1）可對磷酸鐵鋰鋰離子電池自動(dòng)檢測電壓，給出電池是否正常的指示?？蓭椭脩暨M(jìn)行簡單的電池狀態(tài)判斷。（2）能自動(dòng)切換鋰離子電池充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速充電?；趯tmega16單片機(jī)強(qiáng)大的片上資源的利用，切換充電狀態(tài)能做到及時(shí)準(zhǔn)確。這樣能起到對電池的最大保護(hù)，延長電池壽命。（3）在控制電路的設(shè)計(jì)中，為了保護(hù)充電電路設(shè)備

43、和電池安全，我們利用熱敏電阻對電池組進(jìn)行溫度采樣監(jiān)控，保障充電安全。（4）該充電電路采用的是avr系列atmega16單片機(jī)作為主控芯片，atmega16速度快、片上資源豐富、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、自帶8路10位ad轉(zhuǎn)換模塊，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。致謝本文的全部工作是在宋老師的親切關(guān)懷和悉心的指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師崇高的人格、敏捷的思維、淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、深厚的專業(yè)功底以及追求真理、勇于創(chuàng)新的精神給我留下了深刻的印象，使學(xué)生受益終身，也將永遠(yuǎn)激勵(lì)和鞭策著我刻苦學(xué)習(xí)，努力工作。導(dǎo)師不僅在學(xué)業(yè)上為我嘔心瀝血，還在工作中為我指明了方向，在生活中給予我無私的關(guān)懷和傳授我許多做人的原則。我在工作和學(xué)習(xí)中的點(diǎn)滴

44、進(jìn)步，都離不開導(dǎo)師的幫助。至此論文結(jié)稿之際，謹(jǐn)向我敬愛的導(dǎo)師致以深深的謝意和崇高的敬意。在論文進(jìn)行的整個(gè)過程中，作者參考了許多優(yōu)秀的教材、專著、科研論文和學(xué)位論文，受到了很多啟發(fā)，在此向收錄于論文參考文獻(xiàn)中的各位作者表示最誠摯的謝意。特別感謝給予我無私幫助和支持的父母和家人，是他們的奉獻(xiàn)、關(guān)愛以及支持和鼓勵(lì)使我的論文得以順利完成。最后，向曾給我提供幫助而未提及的所有親人、朋友、老師、同學(xué)和同志表示由衷的感謝。參考文獻(xiàn)1周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用m.人民郵電出版社,20052鄭紅河.鋰離子電池電解質(zhì)m.化學(xué)工業(yè)出版社,20073森本直久,井上利弘.二次電池的充電控制方法及充電控

45、制電路d.松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社,20104原英夫.充電控制裝置及利用該充電控制裝置的電子設(shè)備d.羅姆股份有限公司,20105林子華,劉科,顧建良.一種充電控制模塊及其充電控制方法d.惠州tcl移動(dòng)通信有限公司,20116松山貴洋,西村直人.充電控制方法、充電控制裝置、二次電池系統(tǒng)、二次電池電力源及電池應(yīng)用裝置d.夏普株式會(huì)社,20117一志將人,充電控制裝置及充電控制方法d.豐田自動(dòng)車株式會(huì)社，20118王凱臨.并聯(lián)蓄電池充電控制裝置d.浙江韋德電子有限公司，20119薛幸甫,董森.便攜式電子裝置以及相關(guān)的充電控制方法d.揚(yáng)智科技股份有限公司，201110谷口明宏,飯?zhí)镒聊?充電控制電路以及具

46、備該充電控制電路的充電裝置、電池組件d.松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社，201111蘇凱,徐炳林,孫彥秋,一種電池充電控制電路d，比亞迪股份有限公司,201112衛(wèi)宇,張建華,郭彬,牛凱華;王興輝.一種電動(dòng)車充電控制系統(tǒng)及控制方法d，比亞迪股份有限公司,201113焦萌,羅萍,靳增會(huì),李會(huì)娟,壓力模塊在氫鎳電池充電控制中的應(yīng)用j.電源技術(shù)，200814曾慶周,李松強(qiáng).電池充電控制裝置和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組d.華銳風(fēng)電科技（江蘇）有限公司，201115石原大阿;貝野友美.充電控制方法、充電控制裝置及組電池d.三洋電機(jī)株式會(huì)社，201116劉大能.鋰電池充電管理電路和方法及直放站d.廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司，201017程濤.鋰電池線性充電芯片系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)d.華中科技大學(xué),半導(dǎo)體芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工藝，200718陳琛,何樂年.恒流/恒壓充電方式的鋰電池充電器芯片j.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007(07):.28-3319梁偉,王建華,盧剛.基于bq24032的鋰電池充電管理電