沖擊波測(cè)試用電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張寧，王春艷，白素平

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

某型號(hào)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用時(shí)由專業(yè)電池供電，要求能提供直流電壓±7.2V，在-25℃環(huán)境下放電電流高于100A，且連續(xù)工作達(dá)到4h。已往系統(tǒng)測(cè)試時(shí)所使用的是專門訂做的一次性高能低溫電池，由于電池消耗快、不能重復(fù)使用，每次試驗(yàn)需要量大，造成試驗(yàn)的成本很高。同時(shí)，電池需進(jìn)行特殊灌封加工，以保證試驗(yàn)中電池工作可靠，其生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。又由電池存放有自身放電現(xiàn)象，只能試驗(yàn)前進(jìn)行加工生產(chǎn)，影響試驗(yàn)的進(jìn)程。如果采用可充電電池方法，就能達(dá)到降低成本、減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)目的。目前存在-20℃條件下工作的充電電池，且可重復(fù)充電500次以上，容量性能也能滿足系統(tǒng)測(cè)試的基本要求。由于所用充電電池每套由4節(jié)鋰電池構(gòu)成，且需要每節(jié)獨(dú)立充電，目前沒有能夠滿足需要的充電設(shè)備，因此，為了滿足該充電系統(tǒng)的需要，本文專門設(shè)計(jì)了一種基于 DS2770的充電系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于測(cè)試系統(tǒng)一次需要給多個(gè)節(jié)點(diǎn)供電，系統(tǒng)工作前需要準(zhǔn)備多套電池，設(shè)計(jì)的充電器由多套充電系統(tǒng)構(gòu)成，可以同時(shí)對(duì)多套電池充電以滿足要求。整個(gè)充電器以交流220V電作為輸入電壓，分別連接到每個(gè)充電模塊，經(jīng)變壓器后輸出4.2V的充電電壓。由于每個(gè)電池由4個(gè)電芯組成±7.2V的輸出，為保證每個(gè)電芯都可以獨(dú)立充電，通過(guò)控制 MOSFET選擇該模塊的充電電芯。每個(gè)充電模塊都具有專用充電管理芯片，可以獲得該模塊每個(gè)電芯的充電電壓和已經(jīng)充入的電量。

圖1 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Battery charging system structure

2 DS2770的原理結(jié)構(gòu)

每套充電系統(tǒng)采用專用充電管理芯片 D S2770對(duì)充電電壓和充入的電量進(jìn)行管理，該芯片具有優(yōu)異的充電管理性能，其主要特點(diǎn)如下：

圖2 DS2770應(yīng)用原理圖Fig.2 The basic concept of DS2770

圖2中芯片即為一線式芯片 DS2770，即通過(guò)DATA線完成所有的信息交換。RSNS為0.025的檢測(cè)電阻，該電阻可以為芯片內(nèi)集成，如果為外接狀態(tài)則所有的測(cè)量以電壓為單位，如果選擇芯片內(nèi)集成，則是以電流為計(jì)量單位。為了和電池容量有更直觀的對(duì)照，設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部集成檢測(cè)電阻的芯片。該電路充電原理如下：

（1）充電初期

在充電初期如果電池電壓過(guò)低（低于 3 V，說(shuō)明電池處于過(guò)放電狀態(tài)），/UV引腳為低電平，說(shuō)明在高速充電前首先需要以低速對(duì)電池充電，晶體管4403導(dǎo)通，受360電阻影響，充電器對(duì)電池進(jìn)行涓流充電，當(dāng)電池電壓上升到3V以后，則/UV變高，/CC變低，晶體管FMMT718導(dǎo)通，開始進(jìn)行快速充電。

（2）充電末期

圖3 充電末期時(shí)序圖Fig.3 Timing sequence of charging later period

充電末期時(shí)序圖如圖3所示。當(dāng)電池充電達(dá)到額定電壓（4.2V）時(shí)，則采用脈沖充電技術(shù)進(jìn)行最后的充電，方法為：/CC引腳保持為低延遲875ms，然后/CC為高，當(dāng)電池電壓下降低于4.2V時(shí)，/CC再次變低，如此循環(huán)下去，同時(shí)/CC的占空比隨著改變，最后當(dāng)電池的電壓下降時(shí)間超過(guò)13.125s時(shí)（/CC變高的時(shí)間超過(guò)13.125s時(shí)），充電終止，電池充電結(jié)束。

3 充電控制與功能實(shí)現(xiàn)

圖4 電池內(nèi)部連線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Attachment structure inside the battery

因?yàn)殡姵剌敵鲂枰?.2V，而鋰電池單體為3.6V，故需要4節(jié)電池串接，以中間抽頭作為參考點(diǎn)。為提高充電性能，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，充電時(shí)采用單替充電的方式進(jìn)行。由于共有4塊電池，因此充電時(shí)需要至少具有5根充電引線（4根電源正極，1根參考地線），而電池工作時(shí)則僅需3根引線（正負(fù)電源和地），其引線連接如圖4示。

為不增加電池上的額外連接，電池做成圖5所示形狀。充電時(shí)，充電節(jié)點(diǎn)1和-7.4V、地和充電節(jié)點(diǎn)1、充電節(jié)點(diǎn)2和地、+7.4V和充電節(jié)點(diǎn)2構(gòu)成4組充電電路，而放電時(shí)，則充電節(jié)點(diǎn)1和充電節(jié)點(diǎn)2不接入電路，4節(jié)電池構(gòu)成±7.4V和公共地線。

圖5 電池封裝外觀示意圖Fig.5 Battery packaging appearance

3.1 充電邏輯控制

圖6 單片機(jī)控制充電流程圖Fig.6 Flow chart of MCU charge control

充電控制電路由單片機(jī)完成，主要完成的工作有：讀取DS2770里的數(shù)據(jù)信息；將顯示的信息輸出到數(shù)碼管上；切換充電電路到給定的電池上，其控制流程如圖6所示。單片機(jī)上電復(fù)位并完成自檢后首先測(cè)量第一個(gè)電池的電壓，如果電壓超過(guò)設(shè)定的門限值，則認(rèn)為該電芯電量是滿的，可以不用充電，否則進(jìn)行充電，依此類推，完成全部的電芯充電。

3.2 充電電壓及充電電量的獲取與顯示

充電電壓及充電電量的獲取同樣由單片機(jī)完成，利用DS2770的一線式數(shù)據(jù)接口協(xié)議，單片機(jī)以一個(gè) I/O口模擬出該通信協(xié)議并完成與 DS2770的通信。由于電池電壓值和充電電量都存儲(chǔ)在DS2770的寄存器內(nèi)，因此，單片機(jī)基于一線協(xié)議讀取DS2770的寄存器即可獲得充電電壓及充電的電量值。最后，在單片機(jī)內(nèi)部將測(cè)得的值轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)據(jù)后，通過(guò)異步串行接口送出顯示，利用串并轉(zhuǎn)換芯片 74LS164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示測(cè)得的值。圖 7為顯示電路圖。

圖7 數(shù)碼管顯示電路Fig.7 Digital tube display circuit

4 結(jié)論

利用DS2770豐富的充電計(jì)量和管理功能，同時(shí)利用單片機(jī)的強(qiáng)大管理能力，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的充電系統(tǒng)具有智能、快捷、輕便的特點(diǎn)，能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的充電電壓值以及充入電池的電量，方便用戶的操作和使用。最終運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期功能并能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

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