一種小型移動機(jī)器人鋰電池充電器設(shè)計(jì)

張 蓉，鄭思儀，楊 玲

（武警北京指揮學(xué)院信息技術(shù)教研室，北京 100012）

鋰離子電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)、體積小質(zhì)量輕及無公害等優(yōu)點(diǎn)，目前已基本替代鉛酸、鎘鎳蓄電池，成為移動機(jī)器人的主要動力電池[1-5]。但另一方面鋰離子電池對充放電要求很高，當(dāng)過充電發(fā)生時，電解質(zhì)會被分解，而使得電池內(nèi)部的溫度與壓力上升，鋰離子電池壓力與熱量的大量增加，容易產(chǎn)生火花、燃燒甚至爆炸，所以鋰電池的充電器設(shè)計(jì)相對較為復(fù)雜[5-7]。

小型機(jī)器人由多個舵機(jī)組成，對電壓和電流值要求較高，這就需要使用多節(jié)鋰電池串聯(lián)組成電池組以滿足其要求，但由于單節(jié)鋰電池內(nèi)部特性的不一致，必然導(dǎo)致各節(jié)鋰電充電不一致，這樣就對多節(jié)鋰電的充電器設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

針對上述情況以及具體需求，本文設(shè)計(jì)了一種智能平衡充電器，可對兩節(jié)或三節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，電流設(shè)計(jì)了大小兩檔，可根據(jù)電池電量情況自動切換，電池充滿時可自動停止充電，以防止電池過充出現(xiàn)危險(xiǎn)。通過實(shí)驗(yàn)證明，該充電器取得了比較好的效果。

1 系統(tǒng)組成及原理

針對鋰離子電池的特殊性，充電器設(shè)計(jì)的主要思路分為以下幾個方面：

（1）采用平衡充電的方式，對鋰電池組中的每一塊鋰電池進(jìn)行單獨(dú)充電；

（2）針對電池電量情況采用大小兩檔電流進(jìn)行充電，以保證最大程度的將電池充滿；

（3）使用微處理器對電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，以保證電池狀態(tài)發(fā)生變化時可及時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

充電器系統(tǒng)主要由3個單元組成：(1)微處理器單元；(2)平衡充電單元；(3)恒流單元。微處理器作為數(shù)據(jù)處理和充電控制的核心要求既要具有一定的數(shù)字信號處理能力又要求體積小，因此選擇了性價(jià)比較高的STC12C5410AD型微處理器，可使用其片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換口接收電池電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后可通過專用驅(qū)動輸出口完成對充電電流和電源開關(guān)的控制[8]；平衡充電單元主要由TL431、DB136和電位器等組成，完成對鋰離子電池組的各個電池的單獨(dú)充電任務(wù)；恒流單元由LM317和電阻組成，實(shí)現(xiàn)充電電流恒定可調(diào)的作用。整個系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 平衡充電單元設(shè)計(jì)

為了降低成本、簡化設(shè)計(jì)，平衡充電單元由三個充電子單元組成，每個單元都由TL431、DB136和電位器等元件組成，電路如圖2所示。

三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431在充電子單元中發(fā)揮了非常重要的作用。由于單節(jié)鋰離子電池充滿后電壓大約在4.2 V,所以可以通過調(diào)節(jié)電位器W2將充電單元兩端電壓穩(wěn)定在4.2 V。

當(dāng)電池兩端電壓小于4.2 V時會將充電子單元兩端電壓拉低，為了穩(wěn)定電壓TL431會將端口1的電壓值升高，這就導(dǎo)致三極管DB136進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電流大部分流向電池，充電器進(jìn)入充電狀態(tài)；當(dāng)電池兩端電壓等于或大于4.2 V時，充電子單元兩端電壓升高，同樣為了穩(wěn)定電壓TL431會將端口1的電壓值降低，此時DB136進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，大部分電流經(jīng)過DB136進(jìn)入二極管并以熱量形式散發(fā)，充電狀態(tài)結(jié)束。

2.2 恒流單元設(shè)計(jì)

恒流充電單元由主要由LM317、繼電器和電阻組成，電路如圖3所示。

LM317的管腳3為輸入端、管腳2和1分別為輸出端和調(diào)整端。由于輸出端和調(diào)整端之間始終存在1.25 V的壓差，所以可以針對LM317這個特性進(jìn)行恒流充電設(shè)計(jì)[9]。

我們選用了7.4 Ω和2.5 Ω兩個電阻作為充電電流的調(diào)整電阻接入到輸出端和調(diào)整端之間。當(dāng)繼電器電流控制開關(guān)JP1斷開時，電阻為7.4 Ω，充電器為小電流充電狀態(tài)；當(dāng)繼電器JP1接通時，電阻小于2.5 Ω，充電器進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。

JP2為充電器的電源控制開關(guān)，當(dāng)有電池接入時，JP2接通，充電器向電池充電；當(dāng)電池充滿時，JP2斷開，充電結(jié)束。

2.3 微處理器單元控制設(shè)計(jì)

2.3.1 控制策略

為了保證在不損壞鋰電池的情況下盡可能地將電池充滿，微處理器單元對鋰電池組中的每塊電池都進(jìn)行了AD采樣，以達(dá)到實(shí)時監(jiān)控電池的充電狀態(tài)。AD采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了中值濾波算法，以消除噪聲對數(shù)據(jù)的干擾。當(dāng)電池狀態(tài)發(fā)生變化時，微處理器通過控制電源和電流控制開關(guān)做出相應(yīng)的響應(yīng)。

充電器的控制策略設(shè)計(jì)如下：

（1）當(dāng)微處理器檢測到有鋰電池組接入時，打開電源控制開關(guān)，并切換到小電流充電狀態(tài)；

（2）檢測鋰電池組中的各個電池的電量，當(dāng)每塊電池電壓都低于4 V時，采用大電流充電，當(dāng)其中任意一塊電池電壓大于4 V時，進(jìn)入小電流充電狀態(tài)；

（3）當(dāng)鋰電池組中任意一塊電池的電量大于4.2 V時，為了保證鋰電池組的充電安全，充電器斷開電源控制開關(guān)，充電結(jié)束。整體的程序流程如圖4所示。

由于小型移動機(jī)器人在使用過程中，每一塊鋰電池的放電程度各不相同，而智能充電器完成充電的標(biāo)準(zhǔn)是以其中一塊鋰電的電壓到達(dá)4.2 V為結(jié)束信號，因此充電完成后三塊鋰電的電壓必然各不相同。這里我們進(jìn)行了7次充電實(shí)驗(yàn)，并且分別記錄了充電完成后每一塊鋰電的電壓，其結(jié)果如表1所示。

依據(jù)上表可以看到，充電完成后，三塊鋰電的電壓有所區(qū)別，但最低電壓值不低于3.9 V，平均電壓達(dá)到了4.0 V以上，滿足了小型移動機(jī)器人的電壓使用條件。

2.3.2 軟件功能及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件集數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)切換于一體，按其功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為3個模塊，即初始化模塊、主模塊、定時中斷處理模塊[4,10]。

這里初始化模塊主要完成系統(tǒng)的初始化，包括片內(nèi)外圍的初始化，RAM、A/D初始化，串口的初始化，A/D測試及采集，狀態(tài)信息采集，參數(shù)的設(shè)置等。

主模塊主要完成系統(tǒng)狀態(tài)的檢測、鋰電池電壓數(shù)據(jù)的濾波去噪以及對電源控制開關(guān)和電流控制開關(guān)的實(shí)時響應(yīng)等工作。

定時處理模塊主要完成與時間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括鋰電子電池的電壓數(shù)據(jù)采集，串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。定時中斷設(shè)計(jì)為每10 ms一次，中斷處理程序內(nèi)部設(shè)置一個軟計(jì)數(shù)器，用于控制周期為20 ms的處理程序[11]。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的鋰電池組充電器，在動力鋰離子電池組能源管理中引入了智能化的控制及管理方法，通過內(nèi)置的微處理器,對動力鋰離子電池組提供了平衡保護(hù)，發(fā)揮鋰離子電池的最大性能。電路設(shè)計(jì)簡單,具有體積小、質(zhì)量輕、充電節(jié)數(shù)可編程等優(yōu)點(diǎn)，性能可靠、穩(wěn)定,適用性強(qiáng)，并且具有充電電流可調(diào)節(jié)、保護(hù)功能齊全和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前經(jīng)過測試已經(jīng)取得了較好的效果,具有推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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