鋰離子電池智能充電器硬件的設(shè)計(jì)

1、鋰離子電池智能充電器硬件的設(shè)計(jì)鋰離子電池具有較高的能量分量和能量體積比，無記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，用法壽命長，價(jià)格也越來越低。一個(gè)良好的充電器可使電池具有較長的壽命。利用c8051f310設(shè)計(jì)的智能充電器，具有較高的測(cè)量精度，可很好的控制充電的大小，適時(shí)的調(diào)節(jié)，并可按照充電的狀態(tài)推斷充電的時(shí)光，準(zhǔn)時(shí)終止充電，以避開電池的過充。本文研究用法c8051f310器件設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器的。利用脈寬調(diào)制產(chǎn)生可用軟件控制的充電電源，以適應(yīng)不同階段的充電電流的要求。溫度對(duì)電池溫度舉行監(jiān)測(cè)，并通過ad轉(zhuǎn)換和相關(guān)計(jì)算檢測(cè)電池充電和電流，以推斷電池到達(dá)哪個(gè)階段。使電池具有更長的用法壽命，更有效的充電辦法。設(shè)

2、計(jì)過程1 充電原理電池的特性唯一地打算其平安性能和充電的效率。電池的最佳充電辦法是由電池的化學(xué)成分打算的（鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是sla電池等）。盡管如此，大多數(shù)充電計(jì)劃都包含下面的三個(gè)階段： 低電流調(diào)整階段 恒流階段 恒壓階段/充電終止全部電池都是通過向自身傳輸電能的辦法舉行充電的，一節(jié)電池的最大充電電流取決于電池的額定容量（c）例如，一節(jié)容量為1000mah的電池在充電電流為1000ma時(shí)，可以充電1c(電池容量的1倍)也可以用1/50c(20ma)或更低的電流給電池充電。盡管如此，這只是一個(gè)一般的低電流充電方式，不適用于要求短充電時(shí)光的迅速充電計(jì)劃。現(xiàn)在用法的大多數(shù)充電器在給電池充電時(shí)都是

3、既用法低電流充電方式又用法額定充電電流的辦法，即容積充電，低充電電流通常用法在充電的初始階段。在這一階段，需要將會(huì)導(dǎo)致充電過程終止的芯片初期的自熱效應(yīng)減小到最低程度，容積充電通常用在充電的中級(jí)階段，電池的大部分能量都是在這一階段存儲(chǔ)的。在電池充電的最后階段，通常充電時(shí)光的絕大部分都是消耗在這一階段，可以通過監(jiān)測(cè)電流、電壓或兩者的值來打算何時(shí)結(jié)束充電。同樣，結(jié)束計(jì)劃依靠于電池的化學(xué)特性，例如：大多數(shù)鋰離子電池充電器都是將電池電壓保持在恒定值，同時(shí)檢測(cè)最低電流。鎳鎘、nicd電池用電壓或溫度的變幻率來打算充電的結(jié)束時(shí)光。圖1 鋰離子電池充電模塊圖充電時(shí)部分電能被轉(zhuǎn)換成熱能，直至電池彌漫。而彌漫后，

4、全部的電能將所有被轉(zhuǎn)換成熱能。假如此時(shí)不終止充電，電池就會(huì)被損壞或燒毀。迅速充電器電池（徹低彌漫的時(shí)光小于兩小時(shí)的充電器）則可以解決這個(gè)問題，由于這些充電器是用法高充電電流來縮短充電時(shí)光的。因此，對(duì)于鋰離子電池來說,監(jiān)測(cè)它的溫度是至關(guān)重要的，由于電池在過充電時(shí)會(huì)發(fā)生爆裂，在全部的充電階段都應(yīng)當(dāng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變幻，并且在溫度超過最大設(shè)定值時(shí)立刻停止充電。2 總體設(shè)計(jì)充電由三部分：控制部分，檢測(cè)部分及充電部分組成。1所示，采納f310單片機(jī)舉行充電控制，單片機(jī)本身具有脈寬調(diào)制pwm型開關(guān)所需的所有功能，具有10位a/d轉(zhuǎn)換器。利用單片機(jī)a/d端口，構(gòu)成電池電壓，電流，溫度檢測(cè)電路。單片機(jī)通過電壓反

5、饋和電流反饋信號(hào)，挺直利用pwm輸出將數(shù)字電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)，能夠保證控制精度。3 控制部分電路設(shè)計(jì)c8051f310單片機(jī)模擬外設(shè)a.10位：轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200ks/s,可多達(dá)21或17個(gè)外部單端或差分輸入，vref可在外部引腳或vdd中挑選，內(nèi)置（3），外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入；b.兩個(gè)模擬：可編程回差電壓和響應(yīng)時(shí)光，可配置為中斷或復(fù)位源，小電流（0.5a）。供電電壓a.典型工作電流：5ma、25mhz；b.典型停機(jī)電流：0.1a；c.溫度范圍：-40+85。高速8051微控制器內(nèi)核a.流水線命令結(jié)構(gòu)：70%的命令的執(zhí)行時(shí)光為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；b.速度可達(dá)25mi/s（時(shí)鐘頻率為2

6、5mhz時(shí)）；c.擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。數(shù)字外設(shè)a.29/25個(gè)端口i/o：全部的口線均耐5v電壓；b.4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；c.16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（pca），有5個(gè)捕獲/比較模塊；d.用法pca或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式?？刂齐娐分?所示，p0.3口提供充電電源，p0.6口檢測(cè)充電電壓的大小，p0.5口檢測(cè)充電電流的大小，p0.4口檢測(cè)電池的溫度。充電電流由單片機(jī)脈寬調(diào)制pwm產(chǎn)生，充電電流由ad轉(zhuǎn)換再經(jīng)過計(jì)算得出。4 充電部分及檢測(cè)部分電路設(shè)計(jì)圖2 控制電路接線圖圖3 充電電路與檢測(cè)圖3為充電電路與檢測(cè)電路圖。充電過程曲線圖4 鋰電池充電曲線4所示，充電過程由預(yù)充狀態(tài)

7、，恒流充電狀態(tài)和恒壓充電狀態(tài)組成。迅速轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)漸弱終止充電器的最經(jīng)濟(jì)的辦法就是用一個(gè)迅速轉(zhuǎn)換器。迅速轉(zhuǎn)換器是用一個(gè)和/或一個(gè)（需要隔離的時(shí)候用變壓器）作為能量存儲(chǔ)單元以離散的能量包的形式將能量從輸入傳輸至輸出的開關(guān)調(diào)整器反饋電路，通過晶體管來調(diào)整能量的傳輸，同時(shí)也作為過濾開關(guān)，以確保電壓或電流在負(fù)載時(shí)保持恒定。a 開關(guān)閉合 b 開關(guān)打開圖5 迅速轉(zhuǎn)換器操作迅速調(diào)整器的操作是通過控制一個(gè)晶體管開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)的。占空比會(huì)自動(dòng)增強(qiáng)以使電池流入更多的電流。當(dāng)vbattvref時(shí)，一個(gè)比較器會(huì)將開關(guān)閉合(參見圖5a),電流流入電池和c,這個(gè)電流同時(shí)也存儲(chǔ)在電感l(wèi)中。vbatt持續(xù)上升，直到超過vr

8、ef，調(diào)整此時(shí)比較器將開關(guān)斷開(參見圖5b),存儲(chǔ)在電感中的電流快速下降直到偏置，使得電感電流以減速度流入電池，電容c在電感電流衰減后開頭放電。并且最后vbatt開頭下降，當(dāng)vbatt低于vref時(shí),比較器再次將開關(guān)閉合并開頭另一次循環(huán)。在較大的范圍內(nèi)假如減小占空縮短閉合的時(shí)光，平均電壓就會(huì)下降，反之亦然。因此可以通過控制占空比的辦法調(diào)整電壓或電流至所需要的值。電感確實(shí)定電感對(duì)溝通電是有妨礙作用的。在溝通電頻率一定的狀況下，電感量越大，對(duì)溝通電的妨礙能力越強(qiáng)，電感量越小，其妨礙能力越小。另外，在電感量一定的狀況下，溝通電的頻率越高，電感對(duì)溝通電的妨礙能力越大，頻率越低，電感對(duì)溝通電的妨礙能力越

9、小。也就是說，電感有阻擋溝通電通過的特性。其工作原理是這樣的：當(dāng)負(fù)載兩端的電壓要降低時(shí)，通過的開關(guān)作用，外部電源對(duì)電感舉行充電并達(dá)到所需的額定電壓。當(dāng)負(fù)載兩端地電壓上升時(shí)，通過mosfet場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)作用，外部電源供電斷開，電感釋放出剛才充入的能量，這時(shí)電感就變成了電源繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。隨著電感上存儲(chǔ)的能量地消耗。負(fù)載兩端的電壓開頭逐漸降低，外部電源通過mosfet場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)作用又要充電。依次類推在不斷的充電和放電的過程中形成了一種穩(wěn)定的電壓，永久使負(fù)載兩端地電壓不會(huì)上升也不會(huì)降低，這就是的最大優(yōu)勢(shì)。要確定迅速轉(zhuǎn)換器中電感的大小首先應(yīng)假定晶體管的占空比為50%，由于此時(shí)的轉(zhuǎn)換器操作操作效率最高。占空比由方程式1給出：（其中t是pwm的周期在程序示例中t=10.5s）占空比=ton/t （1）至此就可以挑選一個(gè)pwm的轉(zhuǎn)換頻率（如方程式2所示）pwm的轉(zhuǎn)換頻率越大，則電感的值越小，也越節(jié)省成本。我的示例代碼配置f310的8位硬件pwm是用法內(nèi)部24.5mhz主時(shí)鐘的256分頻來產(chǎn)生一個(gè)95.7khz的轉(zhuǎn)換速率。l=（vi-vsat-voton）/2iomax （2）現(xiàn)在我們可以計(jì)算電感的大小了，假