智能鋰電池充電器研究與設(shè)計

馬銀山

(成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都,611732)

1 鋰電池的介紹

1.1 鋰電池的發(fā)展史

首塊鋰電池是采用硫化鈦?zhàn)鳛殡姵卣龢O，金屬鋰作為電池負(fù)極制作而成[1]。在此基礎(chǔ)上鋰電之父——J.Goodenough用鈷酸鋰將電池正極部分進(jìn)行了改善，但在當(dāng)時電池因充電設(shè)備的不完備，經(jīng)常出現(xiàn)自燃、爆炸的危險，因此并未普及。直至1983年研究員使用錳尖晶石作為電池正極，比利用鈷酸鋰作為正極來講，前者更加穩(wěn)定，導(dǎo)電性、導(dǎo)鋰性更加優(yōu)秀，且氧化性也遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)了過充、短路情況，也可以避免電池自燃、爆炸的危險，至此鋰電池正式登上了電子產(chǎn)品界的舞臺。

1.1.1 鋰電池的優(yōu)勢

鋰電池?fù)碛懈叽鎯δ芰棵芏鹊奶攸c(diǎn)，與鉛酸電池比較，重量較輕，使用的壽命長，具備高功率承受力[1]，無記憶效應(yīng)，鋰電池對溫度的適應(yīng)性也非常的強(qiáng)，且環(huán)保，在電池生產(chǎn)、使用乃至報廢，都不會產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等 有毒有害污染嚴(yán)重的重金屬元素與物質(zhì)。

1.1.2 鋰電池充電特性

鋰電池經(jīng)過一段不使用的時間，就會自動進(jìn)入休眠的狀態(tài)，此時的電池內(nèi)部容量低于正常值，電量的持續(xù)時間也隨之縮短。電池正常工作時較易激活，只需要正常地進(jìn)行一次充電和放電就可以讓電池恢復(fù)，內(nèi)部也會還原到正常的容量。由于鋰電池自身的特點(diǎn)，決定了它沒有記憶效應(yīng)。

1.1.3 鋰電池充電影響因素

我們在給鋰電池充電時需要注意，電池需根據(jù)充電順序?qū)Τ潆姷碾娏骱统潆姷碾妷哼M(jìn)行管控，禁止濫充，否則就極容易損壞電池。電壓、電流和溫度是影響鋰電池效能的主要因素。

電壓方面，在電池充電的這個過程當(dāng)中，若電壓太高，將會發(fā)生十分大量的熱量，這會使得鋰電池正極結(jié)構(gòu)破壞乃至出現(xiàn)短路。

電流方面，充電電流必須要根據(jù)電池的具體狀態(tài)分析并進(jìn)行相應(yīng)有效的控制。

最后是溫度，過低或者過高都會影響到電池，溫度過低使內(nèi)部物質(zhì)的活性反應(yīng)不充分，溫度過高則會破壞內(nèi)部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

1.2 鋰電池充電電源原理

鋰電池充電電路用于各類數(shù)碼產(chǎn)品中。電池的負(fù)極一般為石墨晶體組成，正極多數(shù)是二氧化鋰組成。充電時，鋰離子從正極向負(fù)極運(yùn)動進(jìn)入石墨層中[1]。

1.3 鋰電池充電優(yōu)化辦法

1.3.1 三端穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓（LM78XX系列）

三端穩(wěn)壓電源是我們最常見的穩(wěn)壓電源，它有固定的輸出電壓，其名字的最后兩位就是其電壓值，比如7805、7809代表了輸出電壓為正5V、9V。同時也有負(fù)電壓穩(wěn)壓塊79XX系。這類穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，外圍電路不多，使用起來方便，且內(nèi)部有保護(hù)電路，所以經(jīng)常在電源電路中使用。電壓經(jīng)過變壓之后經(jīng)整流橋整流，輸出再接濾波電容后輸入三端穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器輸出再接一個濾波電容。具體電路圖如圖1所示。

圖1 三端穩(wěn)壓電路圖

1.3.2 三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓

相對于方案A的三端穩(wěn)壓器來說，方案B具有對電壓可調(diào)的功能，在這里我們就舉LM317為例說明，LM317它不僅具備三端穩(wěn)壓器特點(diǎn)，還可對輸出電壓可調(diào)。簡單來說LM317分三端分別為電壓調(diào)節(jié)端、輸入端和輸出端，在電壓調(diào)節(jié)端兩端連接電阻R1、R2，他們的關(guān)系式為：V0=1.25（1+R2/R1）,所以只需要調(diào)節(jié)R2與R1的比值即可調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2 可調(diào)三端穩(wěn)壓電路圖

1.3.3 運(yùn)放串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

方案B雖然能夠?qū)崿F(xiàn)電壓可調(diào)，但是實(shí)際電路中不可能經(jīng)常更換電阻來達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，也就是說電路不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)可調(diào)的目的。解決此問題，可加入運(yùn)放，通過單片機(jī)來控制電壓的輸出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出到運(yùn)放進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，這種電源雖然結(jié)構(gòu)上來說比前兩種更為復(fù)雜，但是它應(yīng)用的場合更多，使用起來更加智能。它的電路圖如下圖所示：

圖3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖

綜上所述，考慮到成本和實(shí)用性，本設(shè)計采用A方案，三端穩(wěn)壓方式。

2 主控芯片

2.1 單片機(jī)的認(rèn)識

在科技大爆炸的當(dāng)代社會中，單片機(jī)儼然身居于領(lǐng)導(dǎo)者的地位，無論是以前各類半智能家電，還是現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，都離不開單片機(jī)的身影，在這些產(chǎn)品中，單片機(jī)就像是一位領(lǐng)導(dǎo)，按照程序員的要求，帶領(lǐng)著各種外擴(kuò)設(shè)備，執(zhí)行著各種不同的功能，讓每個設(shè)備發(fā)揮其應(yīng)有的價值[2]。

舉個例子，有一戶小區(qū)住戶想給自己的家庭安裝一套智能家居系統(tǒng)。最基本的可以實(shí)現(xiàn)指紋識別開門、24小時環(huán)境監(jiān)控、非法入侵報警三種功能，而想要實(shí)現(xiàn)這三種功能，單片機(jī)就是必不可少，住戶可利用不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的檢測，通過各類傳感器與單片機(jī)相連接，各個傳感器實(shí)時采集環(huán)境數(shù)值并將數(shù)值發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過程序算法依次處理各個傳感器數(shù)值，并最終在外接的顯示屏上顯示出來。因此單片機(jī)就好比是各種功能電路的領(lǐng)導(dǎo)者，井井有條地管理著各種不同的功能電路。

2.2 STM32F103RDT6單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計選用STM32F103系列單片機(jī)作為主控芯片[2]。其擁有低的價格以及大量的學(xué)習(xí)教程，因此用來制作小型智能產(chǎn)品也是非常合適的選擇。STM32F103RDT6單片機(jī)有64個引腳，需要搭設(shè)專用的最小系統(tǒng)才能正常工作，最小系統(tǒng)一般包含時鐘振蕩電路、供電電路、片內(nèi)復(fù)位電路。如下圖所示。

3 硬件電路

3.1 電源電路設(shè)計

電源電路的設(shè)計主要有STM32供電電源部分、充電電源部分、充電電源管理部分、12864 LCD顯示部分和USB保護(hù)電路部分，為了更好地為各元器件提供穩(wěn)定的工作電壓，同時也為了保證STM32F103電路不影響電池充電電路工作電壓，選用雙通路供電，首先利用經(jīng)典的7805輸出5V工作電壓，其次后級的AMS1117穩(wěn)壓芯片就可以將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓并提供給STM32F103RDT6芯片使用。

圖4 STM32F103RDT6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

3.1.1 電源整流濾波及穩(wěn)壓電路

該電路是由220V民用流電轉(zhuǎn)直流電的關(guān)鍵電路，同時也是充電電源部分的整流電路，這個電路是整個電源電路中最簡單的部分，主要包括了電源電路中最基本的整流、濾波和穩(wěn)壓三部曲，STM32F103后級接AMS1117芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。電路圖如圖5所示。

圖5 電源處理電路圖

3.1.2 充電電路電源穩(wěn)壓電路

前面僅僅是主控部分的穩(wěn)壓電路，為了確保充電回路不受主控部分影響，我在這里采用了雙通道電源供電方法，利用的是SM8502作為充電電路的主要供電芯片，SM8502是一個專門應(yīng)用在小功率AC/DC電源電路的穩(wěn)壓塊，輸入電影的精度高。

3.2 充電管理電路設(shè)計

我們都希望在手機(jī)或其他數(shù)碼產(chǎn)品在充電過程中能夠獲得電池保護(hù)，讓電池?fù)p傷降低到最小，但是其實(shí)大部分?jǐn)?shù)碼產(chǎn)品配備的充電器內(nèi)部都不會設(shè)計有電池管理電路，而是直接采用數(shù)碼產(chǎn)品內(nèi)部自帶的充電管理電路，而數(shù)碼產(chǎn)品內(nèi)部自帶充電管理電路一旦損壞，整個用電設(shè)備就無法充電了，因此我們現(xiàn)在需要在充電器內(nèi)部設(shè)計一個良好的充電管理電路，包含有涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及再充電功能，以此最大化減少數(shù)碼產(chǎn)品的充電電路及電池的充電損傷。

恒流充電功能主要用于鋰電池初充電狀態(tài)，鋰電池充電快慢受充電設(shè)備電壓電流影響，電壓就好比是速度，而電流就好比是量，電池初始充電時通過將電流維持在恒定值，可以快速地獲得鋰電池內(nèi)部容量，依電池容量來獲得充電需要的能量，接下來就可以算出總充電量而且可以取得充電需要耗時多久。

恒壓充電功能主要給電池級間提供電壓恒定的充電方法，恒壓充電后電路就可以隨著電荷狀態(tài)的變化而自動調(diào)節(jié)充電電流大小，能夠防止電池析氣和失水現(xiàn)象發(fā)生。

涓流充電功能主要是為鋰電池提供滿電維護(hù)充電，主要目的是防止電池充滿電后自放電導(dǎo)致容量損失，盡可能延長數(shù)碼產(chǎn)品電池使用時間。

3.2.1 FS4059介紹

FS4059是一款電池充電管理芯片，屬于8-Pin系列的IC芯片。FS4059的充電電流大小需要借助外部SEN以及BAT兩個引腳上的檢測電阻設(shè)定，通過對電池進(jìn)行恒流充電，使BAT引腳上的檢測電阻獲得最佳充電電流值。

3.2.2 FS4059工作原理

FS4059工作方式主要分為涓流充電模式、恒流充電模式、浮充充電模式。內(nèi)部設(shè)計了參考電壓、電壓放大以及電阻分壓，可在充電時對電壓進(jìn)行高精度調(diào)整。在輸入電壓被電池電壓大于100mv以上時，主動開啟新的充電進(jìn)程，此刻若電池電壓小于芯片內(nèi)部小電流充電閾值，F(xiàn)S4059將進(jìn)入小電流充電模式，在電池高出涓流電壓閾值后，F(xiàn)S4059就進(jìn)入恒流模式，在電池電壓接近于浮充電壓后，F(xiàn)S4059開始減小充電電流，此時若是外部電池的電壓下降到滿電再充電閾值電壓之下時，F(xiàn)S4059便開啟新一輪的充電周期，進(jìn)行電池的續(xù)充，直至電池充滿。

3.2.3 FS4059充電管理電路

FS4059充電管理電是本次設(shè)計中的核心電路，為外部電池提供智能化充電解決方案，主要作用是讓電池開啟自我保護(hù)模式。通過外接元器件，讓FS4059得以在電池充電過程中提供涓流充電、恒流充電、浮充充電、再充電的智能化充電模式，電路圖如圖6所示。

圖6 S4059充電管理電路圖

電路采用DC5V供電，通過SEN腳確定充電電流，CHRG腳負(fù)責(zé)停止充電周期，避免電池滿電狀態(tài)繼續(xù)充電，TEMP腳外接一只熱敏電阻，防止充電溫度過高導(dǎo)致電池?fù)p壞情況發(fā)生。工作流程圖如圖7所示。

圖7 FS4059工作流程圖

3.3 顯示電路

在整個充電過程中需要對充電狀態(tài)、充電瞬時電壓的顯示，由于顯示內(nèi)容中包含有漢字，LED數(shù)碼管無法滿足本設(shè)計要求，因此應(yīng)當(dāng)選用LCD液晶顯示屏。

3.3.1 12864 LCD介紹

12864LCD屏，滿屏可顯示4行8列總共32個漢字，通過將字符顯示編碼放入屏幕內(nèi)部的顯示RAM區(qū)實(shí)現(xiàn)文字顯示[3]，同時LCD顯示屏包含三種顯示格式，分別為CGROM、HCGROM以及CGRAM，三種格式與32個字符的對應(yīng)關(guān)系表如表1所示。

表1 CGROM、HCGROM、CGRAM與32字符關(guān)系表

3.3.2 12864 LCD顯示電路

圖8 顯示電路原理圖

基于STM32F103的鋰電池充電器通過主控輸入，獲取充電電壓，并在程序內(nèi)部寫出各階段電壓代表的充電狀態(tài)，經(jīng)過STM32內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換信號后最終得到我們想要的電壓值。

3.4 USB保護(hù)電路

USB充電保護(hù)電路，主要是防止因意外導(dǎo)致充電過程短路的發(fā)生，電池充電若長時間短路，后果會非常可怕，因此就不得不在充電接口上考慮短路保護(hù)電路。本設(shè)計采用P溝道MOS管，當(dāng)電池出現(xiàn)短路現(xiàn)象，電阻與三極管將MOS管進(jìn)行關(guān)斷，達(dá)到充電停止的功能[3]，USB保護(hù)電路原理圖如下圖所示。

圖9 USB保護(hù)電路原理圖

4 軟件設(shè)計

硬件電路作支撐，軟件設(shè)計則是整個系統(tǒng)運(yùn)行的保障，如電源能夠?qū)⒚裼?20V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，提供給STM32芯片及充電管理芯片進(jìn)行工作，但是具體該如何提供供電，每一部分電路想要得到多少V的電壓，F(xiàn)S4059需要怎樣工作，充電管理電路怎樣實(shí)現(xiàn)電壓檢測等等一系列工作都需要軟硬件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，硬件是基礎(chǔ)，軟件是橋梁[5]。

4.1 軟件流程

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始電壓設(shè)置為3.3V，單片機(jī)開始查詢是否有電池插入，若此時沒有電池插入充電，則自動跳轉(zhuǎn)至顯示電路提示用戶未監(jiān)測充電設(shè)備[5]。若此時有充電設(shè)備，則利用STM32F103內(nèi)部自帶的ADC功能進(jìn)行充電管理器發(fā)出的充電電壓采樣，并通過算法判斷出目前充電設(shè)備是處于什么充電狀態(tài)，電池還需要多少就可以完成充電等，然后將計算結(jié)果發(fā)送至12864LCD顯示屏進(jìn)行顯示。軟件流程如圖10所示。

圖10 軟件流程圖