16路智能鋰電池充電、維護儀設(shè)計

(同方電子科技有限公司，江西 九江 332002)

0 引言

鋰電池已廣泛運用于手機等消費及工業(yè)產(chǎn)品中，而鋰電池長時間不使用可能導(dǎo)致電池性能下降嚴(yán)重或失效[1]。為解決鋰電池集中充電及維護問題，本文設(shè)計了一款16路智能鋰電池充電、維護儀(以下簡稱維護儀)，可以同時給16塊相同規(guī)格的鋰電池集中充電或維護。大大地方便了電池的集中充電工作，同時方便倉儲鋰電池或其他長時間不使用的鋰電池的維護工作。該維護儀還具有電池篩選功能，在充電或維護過程中，能自動識別篩選出性能下降嚴(yán)重的電池，提醒用戶及時更換報廢該電池，以避免性能下降嚴(yán)重的電池在設(shè)備使用過程中帶來的待機時間縮短或其他嚴(yán)重后果。

1 工作原理

圖1 工作原理框圖

如圖1所示，維護儀包括以下幾個功能電路部分：輸出12 V(500 W)AC/DC電源部分，為充電電路提供電源輸入；3.3 V電源及電壓基準(zhǔn)部分；LTC4008充電電路部分，一共有16路；放電電路部分，一共有16路；微機控制單元；狀態(tài)指示部分；充電/維護選擇及3.6 V/7.2 V電池規(guī)格選擇開關(guān)。

1.1 電池充電

連接交流市電，打開電源開關(guān)；確認(rèn)好要充電的鋰電池是3.6 V規(guī)格還是7.2 V規(guī)格，并把選擇開關(guān)置于正確的電壓規(guī)格選擇位置(開關(guān)位置對應(yīng)的“3.6 V”或“7.2 V”指示燈亮)；把充電/維護開關(guān)置于充電位(開關(guān)位置對應(yīng)的“充電”指示燈亮)；維護儀處于充電狀態(tài)，各路對應(yīng)的指示燈為綠燈；將待充電的鋰電池插入相應(yīng)的槽位，維護儀開始充電，對應(yīng)指示燈為綠燈閃爍；充滿時為綠燈；當(dāng)有故障時為紅燈閃爍；完全放電的鋰電池充滿約3小時，充滿后的鋰電池應(yīng)及時拔下，在此接口上可再次插入待充電的鋰電池開始充電。

1.2 電池維護

連接交流市電，打開電源開關(guān)；確認(rèn)好要充電的電池是3.6 V規(guī)格還是7.2 V規(guī)格，并把選擇開關(guān)置于正確的電壓規(guī)格選擇位置(開關(guān)位置對應(yīng)的“3.6 V”或“7.2 V”指示燈亮)；把充電/維護開關(guān)置于維護位(開關(guān)位置對應(yīng)的“維護”指示燈亮)；維護儀處于維護狀態(tài)，各路對應(yīng)的指示燈為綠燈；將待維護的鋰電池插入相應(yīng)的槽位，維護儀開始維護工作。

維護時，首先對電池進行充電，第一次充電過程中對應(yīng)指示燈為綠燈閃爍；充滿后自動轉(zhuǎn)為放電，放電過程中對應(yīng)指示燈為紅燈；放電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為第二次充電，第二次充電過程中對應(yīng)指示燈為紅綠交替；第二次充電到電池總?cè)萘康?0%[2]左右結(jié)束，即完成整個維護過程，維護結(jié)束，其對應(yīng)指示燈為綠燈。完全放電的鋰電池維護結(jié)束約7小時，維護完的鋰電池應(yīng)及時拔下，在此接口上可再次插入待維護的鋰電池開始維護。

(以上充電、維護工作時間是針對7.2 V/6 AH電池的充電、維護的時間)

2 硬件設(shè)計

2.1 主要參數(shù)指標(biāo)

1)交流電壓：176～264 V；頻率：50 Hz±3 Hz；

2)被充電/維護電池：3.6 V、7.2 V鋰電池；

3)充電電流：3 A；

4)保護功能：短路保護，充滿保護；

5)失效電池篩選功能：自動篩選出性能下將嚴(yán)重的電池；

6)指示：

a)充電過程綠燈閃爍，充滿綠燈；

b)維護時，第一次充電綠燈閃爍；放電紅燈；第二次充電，紅綠交替閃爍；維護結(jié)束綠燈；

c)故障：紅燈閃爍。

2.2 AC/DC 電源

充電電路的恒流充電流為3 A，最高充電電壓為8.4 V；每一路充電電路所需的電源功率約28 W，16路充電電路所需的最大電源功率約450 W。所以功率電源部分選用500 W的AC/DC模塊。

2.3 充電電路

圖2 充電電路

如圖2所示：LTC4008是一款高效同步整流充電管理芯片，其轉(zhuǎn)換效率高于90%[3]。其充電電壓由電阻R1、R2、R3設(shè)定。其計算公式為：V=VFB×(1+R1/(R2//R3)),其中VFB=1.2V、R2//R3表示為R3與R3的并聯(lián)阻值。

通過單片機控制R3是否接入來設(shè)定為給3.6 V鋰電池或7.2 V鋰電池充電。當(dāng)3.3 V/7.2 V設(shè)置信號為高電平時，設(shè)置為給7.2 V規(guī)格鋰電池充電，R3與R2并聯(lián)到地，LTC4008的最高充電電壓為8.4 V；當(dāng)3.3 V/7.2 V設(shè)置信號為低電平時，設(shè)置為給3.6 V規(guī)格鋰電池充電，R3懸空不起作用，LTC4008的最高充電電壓為4.2 V。

LTC4008的充電電流由R15阻值設(shè)置，恒流充電時LTC4008控制R15的壓降為0.1 V，如圖2中充電電流設(shè)置為3 A。 充電輸出控制由MOS管V4來實現(xiàn)，充電過程中充電輸出控制信號SON為高電平，V4導(dǎo)通；充電結(jié)束后SON信號為低電平，關(guān)斷充電輸出。當(dāng)輸出端短路時，可以通過肖特基二極管V8的箝位快速關(guān)斷充電輸出，同時微機監(jiān)測到該短路信息后，通過軟件把充電輸出控制信號置為低，關(guān)斷充電輸出。

2.4 微機控制電路

圖3 微機控制電路

如圖3所示：控制部分的核心由C8051F020單片機組成。該單片機集成有Flash、內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM、12 位AD、64個數(shù)字I/O引腳等，是一款高效的8 位微處理器[4]，極大地簡化了硬件電路設(shè)計。該單片機實現(xiàn)對16路充電電路電壓的設(shè)置、對16路充電/放電開關(guān)分別切換控制、實時監(jiān)測16路的充電/放電的電壓電流信息、并指示各路的工作狀態(tài)。

C8051F020的P0口包含與ZLG7290通信的接口、充電/維護設(shè)置端口、3.6 V/7.2 V設(shè)置端口；P1口為9至16路的放電控制端口；P2口為9至16路的充電輸出控制端口；P3口為9至16路的充電電壓設(shè)置端口；P4口為1至8路的放電控制端口；P5口為1至8路的充電輸出控制端口；P6口為1至8路的充電電壓設(shè)置端口；P7口為多路模擬開關(guān)的選通控制端口；AIN端口為電壓電流采樣輸入口。

2.5 電壓電流采樣

圖4 電流采樣電路

如圖4所示：應(yīng)用了雙向電流采樣芯片N4(LTC6104)，實現(xiàn)充電電流及放電電流的采樣放大。電路中設(shè)計了16路LTC6104電流采樣電路,分別對16路電池的充電/放電電流采樣。

電流采樣電阻R24的壓降經(jīng)N4內(nèi)部的雙差分放電電路處理，在其1腳輸出與R24壓降成線性關(guān)系的電壓信號：

充電電流信號：VI1=VREF+VSENSE×(R27/R25)；放電電流信號：VI1=VREF-VSENSE×(R27/R25)，其中VREF為2.5V、VSENSE為電流采樣電阻R24上的壓降。

2.6 多路模擬開關(guān)

單片機需要對16路電池電壓、16路充電/放電電流共32路模擬信號進行采樣，用4片多路模擬開關(guān)74HC4051來實現(xiàn)選通控制，選通的電壓電流信號分別送單片機的AIN0.0、AIN0.2、AIN0.4、AIN0.6端口。

2.7 放電電路

如圖4所示：電池放電電阻選用3.9 Ω歐姆、35 W的功率電阻。放電電流約2 A左右，最大功耗有18 W，該電阻為TO220封裝，方便安裝于散熱器上用風(fēng)機強制風(fēng)冷散熱。

共有16路放電電路，通過單片機來分別控制16路放電電路的工作狀態(tài)。

2.8 狀態(tài)指示

如圖5所示：用16個紅、綠共陰雙色發(fā)光二極管來分別指示16路的充電、維護的工作狀態(tài)，方便觀察各路的工作過程及狀態(tài)。

圖5 狀態(tài)指示電路

應(yīng)用ZLG7290接口鍵盤及LED驅(qū)動器來管理這16個雙色發(fā)光二極管[5]。

2.9 充電/維護、3.6 V/7.2 V選擇控制

如圖6所示：當(dāng)S1開關(guān)導(dǎo)通接地時，充電/維護信號為低電平，單片機監(jiān)測到該低電平信號后，維護儀被設(shè)置為充電狀態(tài)，同時V27“充電”指示燈亮，V26“維護”指示燈不亮；當(dāng)S1開關(guān)斷開時，充電/維護信號為高電平，單片機監(jiān)測到該高電平信號后，維護儀被設(shè)置為維護狀態(tài)，同時V27“充電”指示燈不亮，V26“維護”指示燈亮。

圖6 充電/維護選擇電路

3.6 V/7.2 V選擇控制電路與充電/維護選擇電路的工作原理一致。

2.10 3.3 V電源、電壓基準(zhǔn)

用一個3.3 V線性穩(wěn)壓芯片得到3.3 V電源，為單片機等電路供電。同時一個2.5 V的電壓基準(zhǔn)為單片機的A/D采樣及LTC6104電流采樣電路提供電壓基準(zhǔn)。

3 軟件設(shè)計

采用模塊化軟件設(shè)計，在主程序中套用各功能子程序，這樣軟件設(shè)計邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、條理清晰[6]。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、第一次充電子程序、放電子程序、第二次充電子程序、狀態(tài)指示子程序等。程序流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖電路

3.1 電壓電流采樣

單片機內(nèi)置12位AD，通過控制4片多路模擬開關(guān)74HC4051來實現(xiàn)對32路模擬信號進行采樣。

3.2 第一次充電子程序

第一次充電子程序中根據(jù)對電池電壓及充電電流來綜合判斷充電狀態(tài)。當(dāng)充電電流值大于0.3 A時，判為充電狀態(tài)，對應(yīng)的指示燈為綠燈閃爍；當(dāng)電池電壓達到恒壓充電電壓值(3.6 V電池規(guī)格恒壓充電電壓值為4.2 V，7.2 V電池規(guī)格恒壓充電電壓值為8.4 V)且充電電流小于0.3 A時判電池充滿，充電結(jié)束，關(guān)斷充電輸出(SON信號置為低電平)，對應(yīng)的指示燈為綠燈。

當(dāng)?shù)谝淮纬潆娊Y(jié)束關(guān)斷充電輸出后，電池電壓低于8.2 V(3.6 V規(guī)格電池電壓低于4.1 V)則判電池性能下降嚴(yán)重，提醒用戶及時更換報廢該電池。對應(yīng)的指示燈為紅燈閃爍。

3.3 放電子程序

在維護狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝淮纬潆娊Y(jié)束后，維護儀自動轉(zhuǎn)為放電過程，對應(yīng)的放電控制信號置為高電平，電池通過功率電阻放電，對應(yīng)的指示燈為紅燈。

在放電過程中。單片機實時監(jiān)測電池電壓電流，當(dāng)電池電壓放至6 V時判放電結(jié)束。對應(yīng)的放電控制信號置為低電平，關(guān)斷放電電路。

3.4 第二次充電子程序

當(dāng)放電結(jié)束后，維護儀自動轉(zhuǎn)為第二次充電過程，對應(yīng)的充電輸出控制信號(SON信號置為低電平)置為高電平，開始第二次充電，對應(yīng)的指示燈為紅綠交替閃爍。

在第二次充電過程中。單片機實時監(jiān)測電池電壓電流，當(dāng)電池電壓達到恒壓充電電壓值8.4 V(3.6 V電池規(guī)格恒壓充電電壓值為4.2 V)時判第二次充電放電結(jié)束，關(guān)斷充電輸出(SON信號置為低電平)。

在第二次充電結(jié)束后，整個維護過程結(jié)束，對應(yīng)的指示燈為綠燈。

3.5 狀態(tài)指示子程序

單片機與ZLG7290之間為I2C接口通信協(xié)議。ZLG7290可獨立控制這32個發(fā)光二極(16個雙色發(fā)光二極管)來指示對應(yīng)的充電、維護狀態(tài)：

1)在充電狀態(tài)下，電池充電過程對應(yīng)的指示燈為綠燈閃爍；充滿結(jié)束時對應(yīng)的指示燈為綠燈。

2)在維護狀態(tài)下，第一次充電過程中對應(yīng)的指示燈為綠燈閃爍；第一次充電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為放電過程，對應(yīng)的指示燈為紅燈；放電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為第二次充電過程，對應(yīng)的指示燈為紅綠交替閃爍；維護結(jié)束綠燈。

3)故障指示：在充電維護過程中監(jiān)測到電池性能下降嚴(yán)重時其對應(yīng)的指示燈紅燈閃爍；當(dāng)充電輸出端口短路或者電池電壓充不上去時，判充電輸出故障，其對應(yīng)的指示燈紅燈閃爍；當(dāng)所接電池規(guī)格不符時，其對應(yīng)的指示燈紅燈閃爍。

根據(jù)故障指示判斷：在維護儀剛開機時，指示燈紅燈閃爍，則是充電電路輸出故障，可能是充電輸出端口短路或充電電路故障；剛插上電池開始工作時，指示燈紅燈閃爍，則可能是電池電壓規(guī)格不符或電池失效；在充電結(jié)束后指示燈紅燈閃爍，則是電池性能下降嚴(yán)重提醒[7]。

4)空載指示：當(dāng)電池接口沒有連接電池時，單片機結(jié)合該端口的電壓電流信號，可判斷出該端口為空載，其對應(yīng)的指示燈綠燈。

3.6 充電/維護選擇控制

充電/維護選擇控制：當(dāng)單片機的P0.3端口監(jiān)測到3.6 V/7.2 V選擇信號為低電平時，維護儀設(shè)定的是充電工作模式；反之維護儀設(shè)定的是維護工作模式。

維護儀工作模式設(shè)置好后，16路電路都同時工作在該模式下。

3.7 3.6 V/7.2 V選擇控制

3.6 V/7.2 V選擇控制：當(dāng)單片機的P0.4端口監(jiān)測到3.6 V/7.2 V選擇信號為低電平時，維護儀設(shè)定的是為3.6 V規(guī)格電池充電/維護工作模式，單片機的3.6 V/7.2 V設(shè)置信號為高電平，LTC4008充電電路的最高充電電壓設(shè)置為8.4V；反之維護儀設(shè)定的是為3.6 V規(guī)格電池充電/維護工作模式, LTC4008充電電路的最高充電電壓設(shè)置為4.2 V。

維護儀的電池電壓規(guī)格工作模式設(shè)置好后，16路電路都同時工作在該電壓規(guī)格模式下。

不同的電池電壓規(guī)格不能同時工作，當(dāng)單片機監(jiān)測到所連接的電池電壓規(guī)格與所設(shè)置的工作模式不符時，維護能自動識別，其對應(yīng)的指示燈紅燈閃爍故障指示。其工作原理為：當(dāng)接上鋰電池開始工作時，充電電路首先對鋰電池用一個50 mA電流的涓流充電，約1秒時間停止充電；單片機再根據(jù)該端口的電壓信息，來判斷所連接的鋰電池規(guī)格是否與設(shè)備當(dāng)前的電壓規(guī)格工作模式相符；涓流充電另一個功能就是激活處于保護狀態(tài)的鋰電池。

4 維護儀的測試驗證

根據(jù)上述設(shè)計思想制作出的16路智能鋰電池充電、維護儀。可以同時對16塊同規(guī)格的鋰電池進行充電或維護[8]。打開電源開關(guān)，可以設(shè)置并指示充電或維護工作狀態(tài)；可以設(shè)置并指示對3.6 V或7.2 V電壓規(guī)格的電池進行充電/維護；充電工作模式時，充電指示燈綠燈閃爍，充滿指示燈亮綠燈；維護工作模式時，第一次充電指示燈綠燈閃爍，第一次充電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為放電指示燈亮紅燈，放電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)為第二次充電指示燈紅綠交替閃爍，第二次充電完成后維護指示燈亮綠燈；性能下降嚴(yán)重的電池，能自動識別篩選指示出來，指示燈紅燈閃爍指示該故障；充電輸出端口短路時能關(guān)斷輸出，指示燈紅燈閃爍指示該故障。

5 結(jié)論

本文對維護儀的工作原理進行了詳細的介紹,結(jié)合硬件電路和軟件設(shè)計重點介紹該設(shè)備如何實現(xiàn)其智能化：通過開關(guān)切換可以對電池進行充電工作，也可以對電池進行維護工作；通過開關(guān)切換可以對7.2 V電壓規(guī)格的鋰電池進行充電/維護，也可以對3.6 V電壓規(guī)格的鋰電池進行充電/維護；能夠自動識別篩選出性能下降嚴(yán)重的電池，方便用戶及時報廢更換該電池；能夠監(jiān)測并指示各工作狀態(tài)，方便用戶了解電池充電/維護工作在哪個的過程；能判別指示多種故障狀態(tài)，方便用戶使用。

該16路智能鋰電池充電、維護儀大大的方便了用戶對不同電壓規(guī)格鋰電池的集中充電、維護管理，具有高效、安全、智能可靠等特點。