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锂离子电池智能充电器硬件计划

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  个人资料整理 仅限学习使用 锂离子电池智能充电器硬件的设计 锂离子电池具有较高的能量重量和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,使用寿命长,价格也越 来越低。一个良好的充电器可使电池具有较长的寿命。利用 C8051F310 单片机设计的智能充电器,具有 较高的测量精度,可很好的控制充电电流的大小,适时的调整,并可根据充电的状态判断充电的时间,及 时终止充电,以避免电池的过充。 本文讨论使用 C8051F310 器件设计锂离子电池充电器的。利用 PWM 脉宽调制产生可用软件控制的 充电电源,以适应不同阶段的充电电流的要求。温度传感器对电池温度进行监测,并通过 AD 转换和相关 计算检测电池充电电压和电流,以判断电池到达哪个阶段。使电池具有更长的使用寿命,更有效的充电方 法。 设计过程 1 充电原理 电池的特性唯一地决定其安全性能和充电的效率。电池的最佳充电方法是由电池的化学成分决定的 锂离子、镍氢、镍镉还是 SLA 电池等)。尽管如此,大多数充电方案都包含下面的三个阶段: ● 低电流调节阶段 ● 恒流阶段 ● 恒压阶段/充电终止 个人资料整理 仅限学习使用 所有电池都是通过向自身传输电能的方法进行充电的,一节电池的最大充电电流取决于电池的额定容 量C)例如,一节容量为 1000mAh 的电池在充电电流为 1000mA 时,可以充电 1C(电池容量的 1 倍也 可以用 1/50C(20mA或更低的电流给电池充电。尽管如此,这只是一个普通的低电流充电方式,不适用 于要求短充电时间的快速充电方案。 现在使用的大多数充电器在给电池充电时都是既使用低电流充电方式又使用额定充电电流的方法,即 容积充电,低充电电流通常使用在充电的初始阶段。在这一阶段,需要将会导致充电过程终止的芯片初期 的自热效应减小到最低程度,容积充电通常用在充电的中级阶段,电池的大部分能量都是在这一阶段存储 的。在电池充电的最后阶段,通常充电时间的绝大部分都是消耗在这一阶段,可以通过监测电流、电压或 两者的值来决定何时结束充电。同样,结束方案依赖于电池的化学特性,例如:大多数锂离子电池充电器 都是将电池电压保持在恒定值,同时检测最低电流。镍镉、NiCd 电池用电压或温度的变化率来决定充电 的结束时间。 充电时部分电能被转换成热能,直至电池充满。而充满后,所有的电能将全部被转换成热能。如果此 时不终止充电,电池就会被损坏或烧毁。快速充电器电池完全充满的时间小于两小时的充电器)则可以 解决这个问题,因为这些充电器是使用高充电电流来缩短充电时间的。因此,对于锂离子电池来说,监测 个人资料整理 仅限学习使用 它的温度是至关重要的,因为电池在过充电时会发生爆裂,在所有的充电阶段都应该随时监测温度的变 化,并且在温度超过最大设定值时立即停止充电。 2 总体设计 充电电路由三部分:控制部分,检测部分及充电部分组成。如图 1 所示,采用 F310 单片机进行充电 控制,单片机本身具有脉宽调制 PWM 型开关稳压电源所需的全部功能,具有 10 位 A/D 转换器。利用单 片机 A/D 端口,构成电池电压,电流,温度检测电路。 单片机通过电压反馈和电流反馈信号,直接利用 PWM 输出将数字电压信号并转化成模拟电压信号, 能够保证控制精度。 3 控制部分电路设计 C8051F310 单片机 ①模拟外设 a.10 位 ADC:转换速度可达 200ks/s,可多达 21 或 17 个外部单端或差分输入,VREF 可在外部引脚 或 VDD 中选择,内置温度传感器± 3℃),外部转换启动输入; b.两个模拟比较器:可编程回差电压和响应时间,可配置为中断或复位源,小电流〈0.5μA)。 个人资料整理 仅限学习使用 ②供电电压 a.典型工作电流:5mA、25MHz; b.典型停机电流:0.1μA; c.温度范围:-40~+85℃。 ③高速 8051 微控制器内核 a.流水线%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期; b.速度可达 25MI/s时钟频率为 25MHz 时); c.扩展的中断系统。 ④数字外设 a.29/25 个端口 I/O:所有的口线 位计数器/定时器; c.16 位可编程计数器/定时器阵列PCA),有 5 个捕捉/比较模块; d.使用 PCA 或定时器和外部时钟源的实时时钟方式。 控制电路中如图 2 所示,P0.3 口提供充电电源,P0.6 口检测充电电压的大小,P0.5 口检测充电电流 的大小,P0.4 口检测电池的温度。 个人资料整理 仅限学习使用 充电电流由单片机脉宽调制 PWM 产生,充电电流由 AD 转换再经过计算得出。 4 充电部分及检测部分电路设计 图 3 为充电电路与检测电路图 ①充电过程曲线 个人资料整理 仅限学习使用 如图 4 所示,充电过程由预充状态,恒流充电状态和恒压充电状态组成。 ②快速转换器 实现渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器。快速转换器是用一个电感和/或一个变 压器需要隔离的时候用变压器)作为能量存储单元以离散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开 关调节器反馈电路,通过晶体管来调节能量的传输,同时也作为过滤开关,以确保电压或电流在负载时保 持恒定。 个人资料整理 仅限学习使用 a 开关闭合 b 开关打开 快速调节器的操作是通过控制一个晶体管开关的占空比来实现的。占空比会自动增加以使电池流入更 多的电流。当 VBATT ③电感的确定 电感对交流电是有阻碍作用的。在交流电频率一定的情况下,电感量越大,对交流电的阻碍能力越 强??一定的情况下,交流电的频率越高,电感对交流电的阻碍能力越大,频率越低,电感对交流电的阻碍 能力越小。也就是说,电感有阻止交流电通过的特性。 其工作原理是这样的:当负载两端的电压要降低时,通过 MOSFET 场效应管的开关作用,外部电源 对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端地电压升高时,通过 MOSFET 场效应管的开关作 用,外部电源供电断开,电感释放出刚才充入的能量,这时电感就变成了电源继续对负载供电。随着电感 上存储的能量地消耗。负载两端的电压开始逐渐降低,外部电源通过 MOSFET 场效应管的开关作用又要 充电。依次类推在不断的充电和放电的过程中形成了一种稳定的电压,永远使负载两端地电压不会升高也 个人资料整理 仅限学习使用 不会降低,这就是开关电源的最大优势。 要确定快速转换器中电感的大小首先应假定晶体管的占空比为 50%,因为此时的转换器操作操作效 率最高。占空比由方程式 1 给出: 其中 T 是 PWM 的周期在程序示例中 T=10.5s) 占空比=ton/T 1) 至此就可以选择一个 PWM 的转换频率如方程式 2 所示)PWM 的转换频率越大,则电感的值越 小,也越节约成本。 我的示例代码配置 F310 的 8 位硬件 PWM 是使用内部 24.5MHz 主时钟的 256 分频来产生一个 95.7k Hz 的转换速率。 L=Vi-Vsat-Voton)/2Iomax 2) 现在我们可以计算电感的大小了,假定充电电压 Vi 的值为 15V,饱和电压 Vsat 的值为 0.5V,需要 获得的输出电压值为 4.2V,并且最大输出电流 IOMAX 为 1500mA,那么,电感的值至少应选为 18H。 需要注意的是:在本电路中的电容仅仅是一个纹波衰减器,因为纹波与电容的大小成反比例关系,所以电 容的值越大,衰减效果越好。