基于P89LPC936單片機(jī)的鋰離子電池組智能充電機(jī)設(shè)計(jì)

高安同， 王文兵，張 金，高 望

（1.解放軍陸軍軍官學(xué)院 軍用儀器教研室，安徽 合肥 230031；2.合肥同智機(jī)電控制股份有限公司 安徽 合肥 230031）

鋰離子電池相對(duì)于鎳氫、鉛酸以及鎳鎘等電池在比能量、體積、壽命、環(huán)保性等各方面都具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但安全性等因素卻制約著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用[1-3]。雖然可以通過(guò)鋰離子電池內(nèi)部的優(yōu)化來(lái)提高安全性能，但仍然無(wú)法解決鋰離子電池組因過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)熱導(dǎo)致的安全性問(wèn)題，從而導(dǎo)致壽命終結(jié)[4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究不斷深入，但是由于技術(shù)限制，這些電池管理系統(tǒng)一般只是在電動(dòng)汽車等大型鋰離子電池組中配備，對(duì)于便攜式用電設(shè)備所采用的電池組，一般只采用部分保護(hù)電路和均衡電路，而對(duì)其進(jìn)行充電的充電機(jī)也只能進(jìn)行充電功能。

目前我國(guó)現(xiàn)有的電池充電機(jī)絕大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)電池充電功能，如北京尋北科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的TBP0402A-1型充電機(jī)，而對(duì)于容量檢測(cè)及判斷老化程度等功能卻不能實(shí)現(xiàn)，為此，設(shè)計(jì)了基于P89LPC936單片機(jī)的鋰離子電池智能充電機(jī)，該充電機(jī)不僅可以對(duì)當(dāng)前運(yùn)用廣泛的標(biāo)稱電壓為25.2 V和14.4 V的鋰離子電池組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇充電[5]，具有快速充電和常規(guī)充電兩種方式，并有效預(yù)防由于過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)熱導(dǎo)致的安全性問(wèn)題，除此之外，還能檢測(cè)電池的容量并判斷電池的老化程度。

1 充電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

輸入的24 V±5 V直流電，經(jīng)濾波器濾波后，向控制板進(jìn)行供電，控制板中主要有單片機(jī)、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路和充電控制電路等，通過(guò)顯示板控制充電機(jī)工作狀態(tài)及顯示充電電壓、電流、容量、時(shí)間等，通過(guò)電子負(fù)載對(duì)鋰離子電池進(jìn)行恒流放電（如圖1所示）。

1.2 充電機(jī)所采用的單片機(jī)及其外圍電路

圖1 原理框圖Fig.1 Principle chart

該充電機(jī)主要有兩個(gè)模塊組成，分別是：控制模塊和顯示模塊。其中控制模塊選用的單片機(jī)是PHILIPS公司的P89LPC936FDH Flash單片機(jī)，顯示模塊選用的單片機(jī)是PHILIPS公司的P89LPC935FDH Flash單片機(jī)。兩款單片機(jī)都是80C51體系結(jié)構(gòu)，很容易入門(mén)。其主要特點(diǎn)主要是：具有超高速CPU內(nèi)核；具有豐富的片內(nèi)外圍資源：WDT，稱頻率7.372 8 MHz，度可達(dá)1%；超小型TSSOP封裝 （另有DIP、PLCC封裝），能最大限度節(jié)省電路板面積；超低功耗：支持低速晶振，3級(jí)省電模式，典型掉電電流僅1 μA；在線ICP編程，僅需引出 5 根線（VCC、GND、RST、P0.4、P0.5）；抗干擾能力強(qiáng)，操作電壓2.4～3.6 V。此外，該單片機(jī)的優(yōu)異特性在于它不需要任何外部元件就可以運(yùn)行，除電源和地之外的所有管腳都可作為I/O口，也就是說(shuō)28腳LPC932最大I/O口數(shù)為26。其有很強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。灌電流和拉電流分別達(dá)到了20 mA和3.2 mA，這一能力與其可獨(dú)立配置的輸出模式（雙向、推挽和開(kāi)漏）相結(jié)合即可獲得非常高的靈活性來(lái)驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載。

控制板中單片機(jī)的外圍電路框圖如圖1所示，電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的工作電壓后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電，檢測(cè)電路對(duì)輸入輸出電壓、輸出電流、電池溫度等進(jìn)行檢測(cè)，然后由單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，最后發(fā)出控制指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出及過(guò)壓過(guò)流等保護(hù)功能。此外，單片機(jī)接收檢測(cè)指令后，會(huì)發(fā)射一個(gè)信號(hào)給電子負(fù)載，然后通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行放電來(lái)確定電池的容量是否在可以使用的范圍內(nèi)。

顯示板中單片機(jī)的外圍電路框圖如圖1所示，顯示電路由數(shù)據(jù)顯示、工作報(bào)警指示以及工作狀態(tài)選擇3部分組成。數(shù)據(jù)顯示由三位數(shù)碼管完成，工作報(bào)警指示由LED指示燈完成，工作狀態(tài)選擇則由切換開(kāi)關(guān)完成。顯示板與控制板之間通過(guò)I2C通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯示板負(fù)責(zé)把工作狀態(tài)選擇信號(hào)傳送給控制板處理，而控制板則把顯示內(nèi)容及系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送至顯示板進(jìn)行顯示。

1.3 采用LTC6101HV電流傳感器檢測(cè)電流

本研究的電量計(jì)量方法采用的是電流積分法[6]，該方法通過(guò)計(jì)算電池組電流與時(shí)間的積分，得到電池的充電電量及放電電量，通過(guò)與額定電量進(jìn)行對(duì)比獲得電池的SOC，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，具有較好的精度，但依賴于電流的高精度測(cè)量。因此，電流采樣環(huán)節(jié)是該充電機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此對(duì)電流采樣的精度和線性度要求都很高。因此本設(shè)計(jì)選用凌特公司的LTC6101HV電流檢測(cè)放大器來(lái)實(shí)時(shí)的檢測(cè)電流大小（如圖3所示），其是一種通用型、高電壓、高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器。其卓越的器件特性提供了設(shè)計(jì)靈活性：最大失調(diào)電壓為 300 μV，電流消耗僅為 375 μA（60 V電壓條件下的典型值）。LTC6101HV采用5 V到100 V電源。

LTC6101HV通過(guò)一個(gè)外部檢測(cè)電阻器（R18）兩端的電壓來(lái)監(jiān)視電流（如式1所示）。內(nèi)部電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸入電流，因而使得能夠在高共模電壓的小檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換至一個(gè)相對(duì)于地的信號(hào)。低DC失調(diào)允許采用一個(gè)小分流電阻器和大增益設(shè)置電阻器。因此，分路中的功耗可大大減少，從而保證電流檢測(cè)具有較高的精度。

1.4 采用電子負(fù)載放電檢測(cè)容量

電池性能檢測(cè)采取先常規(guī)充電再恒流放電的方式，以1.5 A恒流放電，放電1小時(shí)后進(jìn)行大電流3.5 A放電能力檢查，大電流放電持續(xù)時(shí)間為30 s，中間間隔10 s的0.3 A的小電流放電，脈沖放電方式持續(xù)5 min，此時(shí)如果電池的電壓低于19 V，則說(shuō)明電池不合格，反之則繼續(xù)以1.5 A恒流放電到19 V時(shí)截止。放電結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入常規(guī)充電完成一個(gè)完整充電過(guò)程，單片機(jī)內(nèi)部采用電流積分法計(jì)算電池的容量，最終根據(jù)充電結(jié)束的電池容量判斷電池的老化程度，最終確定電池的更換。放電選用恒流電子負(fù)載，通過(guò)變換基準(zhǔn)電壓來(lái)改變放電電流。電子負(fù)載電路如圖2所示。

圖2 電子負(fù)載電路圖Fig.2 Circuit of electronic load

1.5 基于IR2181S的充電控制電路

為使該充電機(jī)能對(duì)25.2 V和14.4 V的兩種不同額定電壓的電池組進(jìn)行自動(dòng)選擇充電，本設(shè)計(jì)采用如下設(shè)計(jì)思路：采用單片機(jī)的P1.6口和P2.6口作為充電的控制端口，在單片機(jī)對(duì)電池的電壓檢測(cè)完成后，由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)信號(hào)G1_CON或者G2_CON，這個(gè)信號(hào)是一個(gè)高低電平信號(hào)，G1_CON是高電平代表25.2 V，G2_CON是低電平代表14.4 V，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)即G1_CON時(shí)，三極管Q5導(dǎo)通，高電壓信號(hào)進(jìn)入高低端邊緣驅(qū)動(dòng)器IR2181S的HIN口，需要注意的是，TLC555IDR在此的作用是振蕩器，負(fù)責(zé)給高低端邊緣驅(qū)動(dòng)器IR2181S一個(gè)固定的震蕩頻率。通過(guò)研究IR2181S資料可知，其HO口的輸出電壓可以高達(dá)625 V，而LO口的電壓僅能達(dá)到VCC+0.3V，結(jié)合圖3所示，電壓信號(hào)E1和G1足以將場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，并且同理分析，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管 Q3截止，電路的輸入電壓為 Vin+（24±5 V），于是，此時(shí)電路的輸出電壓Vout+與Vin+近似相等，電路可以對(duì)額定電壓為25.2 V的鋰離子電池組進(jìn)行充電。同理可以分析低電平信號(hào)G2_CON發(fā)生時(shí)的情況。由于充電機(jī)的充電對(duì)象是鋰離子電池組，所以電流會(huì)比較大，為保護(hù)單片機(jī)免受影響，設(shè)計(jì)中采用光耦控制大電流。

圖3 充電控制及電流檢測(cè)電路Fig.3 Circuit of charge control and current detection

2 充電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

選擇Keil Software公司出品的Keil C51軟件開(kāi)發(fā)充電機(jī)作為P89LPC938 Flash單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。軟件設(shè)計(jì)的原則遵循電池充放電的規(guī)律，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，分4個(gè)功能模塊：常規(guī)充電、快速充電、儲(chǔ)存放電、容量檢測(cè)（如圖4所示）。

智能充電機(jī)在開(kāi)機(jī)后，根據(jù)操作者按鍵的選擇，充電機(jī)將遂行相應(yīng)任務(wù)。如選擇“容量檢測(cè)”時(shí)，以標(biāo)稱電壓25.2 V的鋰離子電池組為例：電池先進(jìn)行常規(guī)充電，當(dāng)充滿電后，對(duì)電池進(jìn)行1.5 A恒流放電1 h，然后對(duì)電池進(jìn)行脈沖放電5 min，目的是檢測(cè)電池的大電流放電能力。放電結(jié)束后，如果電池的電壓低于19 V，則說(shuō)明電池目前的老化程度為故障；如果電壓大于19 V，則說(shuō)明電池的老化程度為合格，并且根據(jù)充電機(jī)顯示的容量數(shù)據(jù)，可以獲得電池目前可用的電量參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文實(shí)驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行，所以溫度影響并沒(méi)有加以考慮。

本研究針對(duì)的對(duì)象是剛出廠的兩組標(biāo)稱電壓為25.2 V和14.4 V的軍用鋰離子電池組，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行電流大小為2.5 A的1小時(shí)快速充電，快速充電曲線和常規(guī)充電曲線的示意圖如圖5所示，可知，該充電機(jī)快速充電時(shí)間相對(duì)常規(guī)充電而言減少了一半。

圖4 智能充電機(jī)功能軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of smart charger’s function

圖5 兩種標(biāo)稱電壓不同的鋰離子電池組快速充電及常規(guī)充電曲線圖Fig.5 Fast charging and normal charging graph of two Li-on batteries with different

圖6 所示的是智能充電機(jī)的容量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，即先對(duì)鋰離子電池進(jìn)行常規(guī)充電再進(jìn)行1.5 A恒流放電，由圖可知兩組電池經(jīng)過(guò)容量檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)都為合格，并且電池的老化程度良好，顯示板顯示兩組電池容量分別為2.51 Ah和1.43 Ah，顯示值與電池額定容量相差分別為2.6%和3.1%。并且在電壓和電流輸出精度上，通過(guò)用示波器實(shí)時(shí)對(duì)比顯示板輸出的數(shù)據(jù)內(nèi)容，輸出誤差保持在0.2%以內(nèi)，所以該充電機(jī)的精度很高。

圖6 兩種標(biāo)稱電壓不同的鋰離子電池組容量檢測(cè)曲線圖Fig.6 Capacity detection graph of two Li-on batteries with different nominal voltage

4 結(jié)束語(yǔ)

該充電機(jī)能夠滿足標(biāo)稱電壓不同的兩種鋰離子電池組的充放電需求，并且具備保護(hù)電路，能有效的防止電池過(guò)充、過(guò)放及過(guò)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，確保電池的安全。具有顯示模塊，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的掌握電池在充放電過(guò)程中的參數(shù)，并且具備容量檢測(cè)等功能，能迅速判斷電池的老化程度，并具備較高的精度。

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