帶有數(shù)據(jù)顯示功能的鋰電池和鎳鎘電池充電系統(tǒng)

1、帶有數(shù)據(jù)顯示功能的鋰電池和鎳鎘電池充電系統(tǒng)鑒于市場上鎳鎘電池和鋰電池共存的局面，本文設(shè)計的充電器可以對這兩種電池舉行充電，對鎳鎘電池組采納脈沖充電方式，對鋰電池組采納恒流充電方式，這是依據(jù)電池的不同機理而設(shè)計的，真正做到了一機兩用，此為該充電器的創(chuàng)新點，也是設(shè)計的難點。充電器的寬屏可以同時顯示4組充電器的充電狀態(tài)，也可單獨顯示一組充電器上電池的各項參數(shù)，做到了對電池充電過程的實時監(jiān)測。系統(tǒng)整體設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是：1.可同時對4組8.4v的鋰離子電池或9.2v的鎳鎘電池舉行充放電。2.可與電池組中的芯片通信，推斷電池的化學(xué)性質(zhì)。3.對于不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將采納相應(yīng)的充電方式。4.可與電池組中的

2、芯片通信，得到該電池組的、充電、容量等參數(shù)。5.充電器帶有l(wèi)cd，可顯示電池的各項數(shù)據(jù)。該充電器的功能框圖1所示。圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)硬件設(shè)計總控單元的設(shè)計與實現(xiàn)總控單元是由微控制器16f873和鍵盤控制芯片zlg7289a構(gòu)成的。主要任務(wù)是負(fù)責(zé)與各個充電單元通信，并處理用戶輸入與lcd顯示信息。鍵盤控制芯片在這里負(fù)責(zé)6個按鍵和12個的控制。zlg7289a與微控制器之間通過spi舉行雙向通信。主控單元每秒查詢一次各個充電單元，獵取當(dāng)前充電單元的信息，如有無電池、電池性質(zhì)、電池電壓等。之后由lcd模塊向用戶顯示。充電單元的設(shè)計與實現(xiàn)ltc4002鋰離子電池充電控制芯片ltc4002是一

3、款高效自立開關(guān)模式鋰離子電池充電控制器。該控制器有4.2v和8.4v兩個版本。ltc4002-8.4 具有 500khz 開關(guān)頻率，是高效電流模式的 控制器。通過驅(qū)動一個外部 p 溝道 ，它可以提供 4a 的充電電流，而效率可高達 90%。輸出電壓設(shè)置為 8.4v，終于浮動電壓并具1% 的精度，而充電精確度為5%。此外，該器件可在9v"22v范圍內(nèi)的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充電器相比，ltc4002-8.4 的迅速運行頻率與電流模式架構(gòu)使之能夠用法小型器和器。鋰離子/鎳鎘電池兩用充電單元的總體設(shè)計先前面向ltc4002的分析可知，該芯片是針對鋰離子電池的充電控制器，要實現(xiàn)

4、對鎳鎘電池充電需要解決以下問題：首先，ltc4002對電池電壓舉行監(jiān)測，保證電池電壓不超過8.4v。但對于鎳鎘電池組，充電截止電壓可以達到9.2v。第二，鎳鎘電池充電即將結(jié)束時，需要對電池舉行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以，其次個需要解決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外，對鎳鎘電池充電應(yīng)用法脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時光用來充電，1%的時光用來放電，其余時光不充電也不放電。最后，如何推斷某一個電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池，由于若把鋰離子電池誤判為鎳鎘電池，會使充電電壓高于8.4v，這對鋰離子電池是非常危急的，而將鎳鎘電池誤判為鋰離子電池，則可能造成電池充電不足。因

5、此，必需保證極低的誤判率。本部分按照ltc4002的工作原理，設(shè)計了既可以對鋰離子電池舉行恒流-恒壓充電，又可以對鎳鎘電池舉行脈沖式充電的。充電單元的總體功能框圖2所示。其中，信號調(diào)理電路使充電器既可以對8.4v的鋰電池充電，又可以對9.2v的鎳鎘電池充電，同時也起到控制充電電流大小的作用。圖2 充電單元的總體功能框圖利用微控制器控制ltc4002的工作狀態(tài)，協(xié)作放電電路使充電器可以對鎳鎘電池舉行脈沖方式充電。微控制器通過一定的通信協(xié)議(hdq16)與智能電池通信，確定其容量、化學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。信號調(diào)理電路的設(shè)計為了使ltc4002可對高于8.4v的電池舉行恒流充電，并可調(diào)整充電電流，在lt

6、c4002的bat和sense端與采樣之間加入一級信號調(diào)理電路。該電路的主要功能是對采樣電阻兩端的信號舉行運算，針對不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將相應(yīng)的信號送給ltc4002。該信號調(diào)理電路3所示。圖3 信號調(diào)理電路的功能圖這里定義采樣電阻兩端的電壓值是vbat和vsense，那么充電電流在采樣電阻上的壓降vrs為：vrs=vsense-vbat，該信號為減法器的輸出。設(shè)乘法器的乘系數(shù)為k，那么乘法器的輸出為kvrs。對于鋰子電池，二選一開關(guān)將選通電池電壓vbat；對于鎳鎘電池，二選一開關(guān)將選通7v恒定電壓。這里設(shè)二選一模擬開關(guān)的輸出為v1，那么加法器的輸出vs應(yīng)為：vs=kvrs+v1，這樣一來，送

7、到ltc4002的bat和sense兩端的電壓之差應(yīng)為kvrs。只要正確控制k值，就可以使充電電流為正常充電電流的1/k。因此，可以通過二選一開關(guān)控制電流為恒流充電時的10%或30% 。對于ltc4002的bat端輸入值，當(dāng)開關(guān)選通鋰離子電池時，bat的輸入即是電池電壓。此時，ltc4002可以控制囫圇鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預(yù)。當(dāng)開關(guān)選通了7v恒定電壓后，bat端的輸入恒定為7v，此時，ltc4002無法知道電池的真切電壓，只認(rèn)為電池電壓為7v。所以，盡管電池電壓高于8.4v，仍會以恒定電流對電池舉行充電。在這種狀況下，需要微控制器的干預(yù)，否則，會造成電池的過充。因為微控制器內(nèi)部帶

8、有，可以監(jiān)測電池電壓的變幻。當(dāng)電池電壓達到指定值時，減小充電電流，直至電池彌漫。這樣就可以對9.2v的鎳鎘電池舉行充電了。脈沖充放電電路的設(shè)計因為ltc4002是恒流充電控制芯片，因此，必需用法微控制器控制其充電使能引腳comp。當(dāng)需要ltc4002輸出充電脈沖時，使控制comp引腳的端口變?yōu)楦咦钁B(tài)，使comp引腳自行升至360mv以上時，便有充電電流輸出。放電時，必需將comp引腳拉低，使ltc4002關(guān)斷充電電流。之后，再打開放電電路。微控制器選用pic16f873，它是一款基于flash的8位微控制器。內(nèi)部有定時器、電路、10位adc等模塊。圖4 充電單元主程序流程圖微控制器以1s為周期

9、對鎳鎘電池舉行脈沖充放電。系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件總體設(shè)計充電單元中的微控制器主要負(fù)責(zé)充電過程的控制和與總控板的通信，程序流程4所示。充電單元首先推斷是否有電池，假如有電池放入，則推斷充放電狀態(tài)，默認(rèn)是充電狀態(tài)，該狀態(tài)可由總控單元轉(zhuǎn)變。若充電單元處于充電狀態(tài)，則繼續(xù)推斷電池的化學(xué)性質(zhì)，針對不同的電池采納不同的充電方式。若處于放電狀態(tài)，則對電池組舉行放電，直到電池電壓低于閾值電壓后，轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。除主程序外，總控單元與充電單元的通信是在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。當(dāng)充電單元收到總控單元的命令后，進入中斷。若命令是查詢數(shù)據(jù)命令，則向總控單元發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。若是充電狀態(tài)設(shè)置命令，則依據(jù)命令設(shè)置充電單元的充電狀

10、態(tài)。通信協(xié)議的實現(xiàn)通過與電池組中電能計量芯片通信的辦法來推斷電池的性質(zhì)。本系統(tǒng)可以與遵循h(huán)dq16接口協(xié)議的智能電池組舉行通信，除了電池組的化學(xué)性質(zhì)外，還可以將電池組的容量、電壓、充電電流、編號等數(shù)據(jù)一并讀取，供充電器顯示之用。充電單元可以通過hdq總線對智能電池舉行讀操作。hdq16接口協(xié)議是基于命令的協(xié)議。一個處理器發(fā)送8位命令碼給智能電池，這個8位的命令碼由兩部分組成，7位hdq16命令碼(位0"6)和1位讀/寫命令。讀/寫命令指示智能電池存儲接下來的16位數(shù)據(jù)到一個指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出16位數(shù)據(jù)。在hdq16里，數(shù)據(jù)字節(jié)(命令)或者字(數(shù)據(jù))的最不重要的位會優(yōu)

11、先傳輸。一個塊的傳輸包括三個不同的部分。第一部分經(jīng)由主機或者智能電池把hdq16引腳置規(guī)律低狀態(tài)一個tstrh:b時光后開頭發(fā)送。接下來的部分是真正的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)位在tdsu:b時光間隔里是有效的，負(fù)邊界用來開頭通信。數(shù)據(jù)位被保持一個tdhv時光間隔，以便允許主機或智能電池采樣數(shù)據(jù)位。在負(fù)邊界開頭通信后，最后一部分通過返回給hdq16引腳一個規(guī)律高狀態(tài)，起碼保持tssu:b時光間隔來停止傳輸。最后一個規(guī)律高狀態(tài)必需保持一個tcych:b時光間隔，以便有時光讓塊傳輸徹低停止。假如發(fā)生通信錯誤(e.g.，tcycb250ms)，主機就發(fā)送給智能電池一個break信號，讓其控制串行接口。當(dāng)hdq16引腳在一個時光間隔，或者更長時光里為規(guī)律低狀態(tài)時，智能電池就會偵測break。然后，hdq16引腳回到其正常預(yù)設(shè)高規(guī)律狀態(tài)一個tbr時光間隔。然后,智能電池就預(yù)備從主機那里接收命令。hdq16引腳是開漏