基于单片机和锂电池充电芯片的充电器设计系统设计

基于单片机和锂电池充电芯片的充电器设计系统设计

摘要：该系统基于微控制器和锂电池充电芯片。 根据不同电池的特性，采用不同的充电方式。 可以对目前广泛使用的锂电池和镍镉电池进行充电。 还具有实时显示充放电电流、电池电压、容量统计和电池特性等功能，实现了符合铁道部所有相关规范的列车后保护装置充电系统。

关键词：锂电池； 镍镉电池； 充电器

介绍

鉴于市场上镍镉电池和锂电池并存，本文设计的充电器可以对这两种电池进行充电。 镍镉电池组采用脉冲充电，锂电池组采用恒流充电。 这是根据电池的不同机制而设计的，真正实现了一机两用。 这是充电器的创新点，也是其设计的难点。 该充电器的宽屏液晶显示屏可以同时显示四个充电器的充电状态，还可以单独显示一个充电器上电池的各种参数，实现对电池充电过程的实时监控。

系统总体设计

系统设计目标是：

1、可同时充放电4组8.4V锂离子电池或9.2V镍镉电池。

2.可以与电池组中的芯片通讯，确定电池的化学特性。

3、对于不同化学性质的电池，将采用相应的充电方法。

4.可与电池组内的芯片通讯，获取电池组的电压、充电电流、容量等参数。

5.充电器带有LCD，可显示各种电池数据。

充电器的功能框图如图1所示。

图1 系统总体设计结构图

系统硬件设计

主控单元的设计与实现

整体控制单元由单片机和键盘控制芯片组成。 主要任务是与各个充电单元进行通信并处理用户输入和LCD显示信息。 这里键盘控制芯片负责6个按键和12个LED的控制。

与微控制器的双向通信通过 SPI 总线进行。 主控单元每秒查询一次每个充电单元，获取当前充电单元的信息，如是否有电池、电池属性、电池电压等，然后通过液晶模块显示给用户。

充电装置的设计与实现

锂离子电池

充电控制芯片

它是一款高效独立开关模式锂离子电池充电控制器。 该控制器有 4.2V 和 8.4V 版本。

-8.4 具有开关频率，是高效电流模式 PWM 控制器。 通过驱动外部P沟道，可提供4A的充电电流，效率高达90%。 输出电压设置为8.4V，最终浮充电压精度为1%，充电精度为5%。 此外，该设备还可在 9V 至 22V 的各种墙壁适配器上运行。 与迟滞拓扑充电器相比，-8.4 的快速工作频率和电流模式架构允许使用小型电感器和电容器。

锂离子/镍镉电池两用

充电装置总体设计

从前面的分析我们可以看出，该芯片是锂离子电池的充电控制器。 给镍镉电池充电需要解决以下问题： 首先，监测电池电压，确保电池电压不超过8.4V。 但对于镍镉电池组来说，充电截止电压可以达到9.2V。 其次，当镍镉电池充电即将结束时，需要以正常电流的30%和10%进行涓流充电。 因此，需要解决的第二个问题是如何控制恒流充电的电流。 另外，对镍镉电池充电应采用脉冲充电。 即以1秒为一个周期，95%的时间用于充电，1%的时间用于放电，其余时间既不充电也不放电。 最后，如何判断某款电池是锂离子电池还是镍镉电池呢？ 因为如果锂离子电池被误判为镍镉电池，充电电压就会高于8.4V，这对于锂离子电池来说是非常危险的。 如果镍镉电池被误判为锂离子电池，则可能是电池充电不足。 因此，必须确保极低的误报率。

本部分根据工作原理，设计了可以对锂离子电池进行恒流恒压充电和对镍镉电池进行脉冲充电的电路。 充电单元的整体功能框图如图2所示。其中，信号调理电路使充电器能够对8.4V锂电池和9.2V镍镉电池进行充电。 它还起到控制充电电流的作用。

图2 充电单元整体功能框图

该充电器利用单片机和放电电路控制的工作状态，以脉冲方式对镍镉电池进行充电。

微控制器通过一定的通信协议（HDQ16）与智能电池进行通信，以确定其容量和化学性质等关键参数。

信号调理电路设计

为了能够对高于8.4V的电池进行恒流充电并调节充电电流，在BAT和SENSE端子与采样电阻之间增加了一级信号调理电路。 该电路的主要作用是计算采样电阻两端的信号，并向不同化学性质的电池发送相应的信号。 信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路功能图

这里定义采样电阻两端的电压值为VBAT之和，则充电电流在采样电阻上的压降VRS为：VRS=-VBAT，该信号为减法器的输出。 假设乘法器的乘法系数为K，则乘法器的输出为KVRS。 对于锂电池，第二选择开关将选通电池电压VBAT； 对于镍镉电池，第二选择开关将选通 7V 恒定电压。 这里，假设二选模拟开关的输出为V1，则加法器的输出Vs应为：Vs=KVRS+V1。 这样，发送到BAT和SENSE的电压之间的差值应该是KVRS。 只要正确控制K值，充电电流可以是正常充电电流的1/K。 因此，可以通过二选开关将电流控制为恒流充电的10%或30%。

对于BAT端的输入值，当开关门控锂离子电池时，BAT的输入为电池电压。 至此，整个锂离子充电过程就可以控制了。 不需要外部干预。

当开关接通7V恒压时，BAT端的输入恒压7V。 此时无法得知电池的真实电压，仅认为电池电压为7V。 因此，即使电池电压高于8.4V，电池仍会采用恒流充电。 在这种情况下，需要微控制器干预，否则电池将被过度充电。 由于微控制器具有内部 ADC，因此它可以监视电池电压的变化。 当电池电压达到规定值时，充电电流减小，直至电池充满。 这样就可以对9.2V镍镉电池进行充电了。

脉冲充放电电路设计

由于是恒流充电控制芯片，因此必须使用单片机来控制其充电使能引脚COMP。 当需要输出充电脉冲时，控制COMP引脚的端口变为高阻状态，当COMP引脚自行上升到360mV以上时，输出充电电流。 放电时，COMP 引脚必须拉低以关闭充电电流。 之后，打开放电电路。 选用的微控制器是基于Flash的8位微控制器。 内部有定时器、看门狗电路、10位ADC等模块。

图4 充电单元主程序流程图

单片机对镍镉电池进行脉冲充放电，周期为1s。

系统软件设计

系统总体软件设计

充电单元中的微控制器主要负责充电过程的控制以及与主控板的通信。 程序流程如图4所示。充电单元首先判断是否有电池。 如果装入电池，则确定充电和放电状态。 默认为充电状态，可通过主控单元更改。 如果充电单元处于充电状态，则继续判断电池的化学性质，并对不同的电池采取不同的充电方法。 如果处于放电状态，则对电池组进行放电，直至电池电压低于阈值电压，然后转入充电状态。

除主程序外，主控单元与充电单元之间的通信是在中断服务程序中实现的。 当充电单元收到主控单元的指令后，进入中断。 若该指令为数据查询指令，则将所需数据发送至主控单元。 如果是充电状态设置指令，则根据该指令设置充电单元的充电状态。

通讯协议的实现

通过与电池组中的电能计量芯片通信来判断电池的性质。 该系统可以与遵循HDQ16接口协议的智能电池组进行通信。 除了电池组的化学特性外，还可以读取电池组的容量、电压、充电电流、序列号等数据，供充电器显示。 。

充电单元可以通过HDQ总线读取智能电池。 HDQ16接口协议是基于命令的协议。 处理器向智能电池发送 8 位命令代码。 该8位命令码由两部分组成，7位HDQ16命令码（位0~6）和1位读/写命令。 读/写指令指示智能电池将下一个16位数据存储到指定的寄存器中，或者从指定的寄存器中输出16位数据。 在 HDQ16 中，首先传输数据字节（指令）或字（数据）的最低有效位。

块的传输由三个不同的部分组成。 第一部分通过主机或智能电池将 HDQ16 引脚设置为逻辑低状态并持续 tSTRH:B 时间后开始发送。 接下来的部分是实际的数据传输，数据位在tDSU:B时间间隔内有效，并使用负边界来启动通信。 数据位保持 tDH:DV 时间间隔，以允许主机或智能电池对数据位进行采样。

在负边界上开始通信后，最后一部分通过在至少 tSSU:B 间隔内向 HDQ16 引脚返回逻辑高状态来停止传输。 最后的逻辑高状态必须维持 tCYCH:B 间隔，以便有时间让块传输完全停止。

如果发生通信错误（例如，tCYCB>250ms），主机将向智能电池发送BREAK信号以控制串行接口。 当 HDQ16 引脚处于逻辑低状态一段时间或更长时间时，智能电池检测到 BREAK。 然后，HDQ16 引脚在 tBR 时间间隔内返回到其正常预设高逻辑状态。 然后，智能电池就准备好接收来自主机的指令。

HDQ16 引脚为漏极开路，需要外部上拉电阻。

图 5 是用逻辑分析仪显示的主 HDQ 总线上的通信波形。

图5 主HDQ总线通信波形

结论

本文提出的收费系统从技术上很好地解决了上述问题。 电源的剩余电量、现有充放电次数、充放电电流、电池电压、容量统计和电池特性均可通过液晶显示屏清晰方便地读取。 等重要内容，并通过设置可以判断电源是否达到报废标准，并可以提醒操作人员及时更新电源。 为供电维护工作提供了明确的参考数据，降低了对操作人员专业技术水平的要求，保证了列车后部供电的安全使用。 ■

参考：

1. .28/40-Pin 8-Bit CMOS 闪存.,2001。

2.串行接口8位LED数码管和64键键盘智能控制芯片

3.. 锂离子电池模式.,2003

4.李学海。 PIC单片机练习。 北京：北京航空航天大学出版社，2004年

5..SBS-V1.1-电量计 IC.德克萨斯州，2006 年

6.朱军。列车尾部装置使用研究与分析。 铁路运输与经济，2004，26（1）：71

7. 王欣，范伟斌，张金平。 车尾特种蓄电池故障、维护及使用研究铁路运输与经济, 2002, 24(13): 5-10

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