單片機(jī)系統(tǒng)的鋰電池充電及保護(hù)技術(shù)

郭輝

摘 要：作為鋰電池實(shí)踐與應(yīng)用中的主要組成部分，鋰電池的充電及保護(hù)方面的研究顯得尤為重要。以單片機(jī)系統(tǒng)控制為主要切入點(diǎn)，并結(jié)合其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的操作情況，探討該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的保護(hù)、充電技術(shù)進(jìn)行分析和比較，設(shè)計(jì)出更具實(shí)際應(yīng)用效果的鋰電池充電及保護(hù)系統(tǒng)。以單片機(jī)為核心載體，滿足鋰電池組的短路保護(hù)等需求。在充電過(guò)程中，還可借助單片機(jī)來(lái)確保充電均衡，簡(jiǎn)化充電電源，使單片機(jī)系統(tǒng)性?xún)r(jià)比更高。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)；鋰電池；充電及保護(hù)技術(shù)

鋰電池作為新興產(chǎn)品，相較于傳統(tǒng)電池具有輕便、續(xù)航力持久、電率低和節(jié)能環(huán)保等多重優(yōu)點(diǎn)[1]。為了貼合國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色環(huán)保發(fā)展理念，近年來(lái)鋰電池得到了廣泛的應(yīng)用和快速的推廣。除了在原有的電力儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)光發(fā)熱以外，在移動(dòng)通信、交通動(dòng)力和新能源儲(chǔ)備等系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，因此，如何提升鋰電池的充電及保護(hù)技術(shù)也受到了越來(lái)越多的關(guān)注，運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)提升保護(hù)力的技術(shù)也越發(fā)完善。本研究以單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)充電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與闡述。

1 應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)完成鋰電池充電及保護(hù)的優(yōu)勢(shì)

單片機(jī)系統(tǒng)下的鋰電池技術(shù)主要分為充電和保護(hù)兩個(gè)方面[2]。在充電過(guò)程中，慣常應(yīng)用的是先恒流后恒壓的策略，以電路為參考點(diǎn)，可以應(yīng)用多電路并聯(lián)和單路電流搭配均衡電路兩種方式來(lái)充電，實(shí)際測(cè)驗(yàn)可以得知，這兩種充電方式各有利弊[3]。單路電流搭配均衡電路的充電方式效率更高，但需要投入的成本較高，而多電路并聯(lián)的充電方式雖然資金投入較少，但在由恒流向恒壓轉(zhuǎn)變的過(guò)程中所處的聚恒電路不能關(guān)閉，造成電流持續(xù)處于流通的狀態(tài)，在電壓數(shù)值為4.2 V時(shí)，電路中的電流較大，最終會(huì)導(dǎo)致充電效率過(guò)低的現(xiàn)象出現(xiàn)。鋰電池的保護(hù)方法更具多樣性，分別為單片機(jī)控制、鋰電池管理芯片控制和分立元件控制3種方法[4]，其具體比較如表1所示。

從表1中可以得知，采用單片機(jī)系統(tǒng)控制鋰電池的保護(hù)方法，具有操作復(fù)雜程度低、投入成本低、產(chǎn)生能耗較小等優(yōu)點(diǎn)。以Microchip生產(chǎn)的單片微型計(jì)算機(jī)（Peripheral Interface Controller，PIC）為例，當(dāng)其晶振頻率數(shù)值為32 kHz時(shí)，其產(chǎn)生的電量損耗僅為幾十微安，不使用時(shí)可以將其設(shè)定為休眠狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的能耗更少，其能耗率與鋰電池管理芯片相比也毫不遜色。

先恒流再恒壓是鋰電池應(yīng)用較多的充電方法，當(dāng)電路中所剩電流降低到既定數(shù)值后，可關(guān)閉電源。常用的兩種充電電路在使用過(guò)程中也有細(xì)微的差異，原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）均衡電路并未滿足線性放電的操作要求。在充電過(guò)程中，當(dāng)單體電池的電壓數(shù)值達(dá)到4.2 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的均衡電路中的放電電流數(shù)值也較低，再慢慢由小轉(zhuǎn)大。鑒于均衡電路多數(shù)采用開(kāi)關(guān)型的控制方式，一旦電壓達(dá)到4.2 V，該電路就會(huì)完全處于導(dǎo)通的狀態(tài)，相應(yīng)的放電電流也會(huì)很大。對(duì)于單體電池，在完成由恒流向恒壓的轉(zhuǎn)換時(shí)，電流突然下降，對(duì)其完全充電有較大影響，容易造成充電效率下降。（2）當(dāng)電池組處于恒壓狀態(tài)時(shí)，均衡電路并不能全部關(guān)閉，導(dǎo)致小部分電流持續(xù)地在電路中流通，也容易導(dǎo)致充電效率下降。

借助單片機(jī)系統(tǒng)，除了可以對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)，在充電過(guò)程中，還可以通過(guò)操控均衡電路，在單體電池?cái)?shù)值達(dá)到4.2 V時(shí)，完成脈沖式放電。在鋰電池組完成恒流向恒壓的過(guò)渡后，還可以將均衡電路完全關(guān)閉，確保鋰電池處于恒壓充電模式。因此，可以充分利用單片機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)，解決以往鋰電池充電及保護(hù)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。

2 單片機(jī)系統(tǒng)的工作及運(yùn)行原理

該系統(tǒng)通常由兩部分構(gòu)成：（1）由鋰電池與保護(hù)電路構(gòu)成的部分；（2）由充電和均衡電路構(gòu)成的另一個(gè)部分，只在充電的時(shí)候才會(huì)使用，其具體系統(tǒng)運(yùn)行原理和主供電回路數(shù)據(jù)如下：電源輸出功率為+48 V，選用容器網(wǎng)絡(luò)接口（Container Network Interface，CNI）作為連接器接電池組，正溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管作為電源調(diào)整管，接受脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制，在使用時(shí)可以起到調(diào)整鋰電池充電電流的作用。鋰電池組的負(fù)端接口處配備了兩個(gè)額外電阻，充電時(shí)產(chǎn)生的電流可以以這兩個(gè)電阻為導(dǎo)體產(chǎn)生所需要的電壓，再經(jīng)由放大路傳輸進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)中配備的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）電路。與此同時(shí)，單粒電池組產(chǎn)生的電壓也從同樣的路徑傳送進(jìn)ADC電路，并通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備來(lái)完成對(duì)電流和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

在本研究提到的系統(tǒng)中，如果鋰電池為單組，那么恒流充電電流為3.0 A，截止電壓為4.2 V，保護(hù)電路中最小放電壓為3.0 V，最大輸出電流為24.0 A。以電動(dòng)車(chē)的電池組為例，通常是由10個(gè)電池組串聯(lián)而成，可承受的最大充電電壓為42.0 V，放電電壓的既定數(shù)值為30.0 V。具體運(yùn)行原理為：鋰電池組在外部交流電源上充電時(shí)，充電線路會(huì)發(fā)送相應(yīng)的電源正常（Power Good，PG）信號(hào)，再傳送給單片機(jī)，由控制系統(tǒng)掌控后開(kāi)始為鋰電池充電，并對(duì)電壓和電流進(jìn)行嚴(yán)格把控。

在充電的初始階段電壓數(shù)值都相對(duì)過(guò)低，單片機(jī)系統(tǒng)需要對(duì)充電電路進(jìn)行把控，使其處于恒流狀態(tài)，直到充電結(jié)束。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)將充電電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的方式來(lái)啟動(dòng)ADC電路，由于鋰電池組采用的都是串聯(lián)的方式，并不會(huì)出現(xiàn)單體電池較常出現(xiàn)的電壓不均衡的問(wèn)題。與此同時(shí)，單片機(jī)對(duì)電流和電壓的檢測(cè)功能也十分重要，當(dāng)檢測(cè)數(shù)值接近或達(dá)到4.2 V時(shí)，也就是處于所謂的“滿電”狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向電路傳送地址碼，均衡電路借助該地址碼輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，以此完成均衡電路的打開(kāi)工作。如若數(shù)值沒(méi)有達(dá)到4.2 V，鋰電池兩側(cè)的均衡電路則保持關(guān)閉的狀態(tài)，仍然進(jìn)行充電工作，可有效提升充電效率。

3 單片機(jī)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)思路

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)

本研究提到的單片機(jī)系統(tǒng)所使用的單片機(jī)元件是由Microchip公司投產(chǎn)的PIC16F72型號(hào)。該型號(hào)的單片機(jī)是由5路A/D和模擬開(kāi)關(guān)組成的，可以借助5路A/D完成不同電池電壓的取樣工作，僅需要3個(gè)計(jì)時(shí)器，就可以完成對(duì)鋰電池組充電過(guò)程的檢測(cè)工作，并完成脈沖式控制。如果電源的電壓范圍在2.0～5.5 V，則適合用于單電池組的充電和供電，所造成的能耗也極低，貼合當(dāng)下社會(huì)綠色環(huán)保的發(fā)展理念。鑒于鋰電池如果在短時(shí)間內(nèi)受到強(qiáng)大的電流沖擊，容易產(chǎn)生電壓跌落等問(wèn)題，在程序設(shè)定上添加了關(guān)斷次數(shù)字模塊，用來(lái)應(yīng)付突發(fā)狀況，如果在充電過(guò)程中多次關(guān)斷電壓后仍不能解決電壓跌落問(wèn)題，則系統(tǒng)將直接關(guān)停MOSPET，直至鋰電池組充滿電為止。

3.2 均衡電路的具體設(shè)計(jì)方法

目前，較常使用的均衡電路都是由單個(gè)可控開(kāi)關(guān)電路組組合而成的，在鋰電池充電過(guò)程中，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)對(duì)所有單體電池所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸送一個(gè)十六位制數(shù)的地址碼，充電器將其破譯后，會(huì)相應(yīng)地打開(kāi)某個(gè)均衡電路，以此起到分流的作用。

3.3 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法

本研究中的單片機(jī)系統(tǒng)所選用的開(kāi)關(guān)電源是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選的，由TOP250Y構(gòu)建的單端正激電路，借由晶體管-晶體管邏輯電路（Transistor-Transistor Logic，TTL）平臺(tái)傳輸PG，CV信號(hào)，為單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)提供保障。

4 單片機(jī)系統(tǒng)控制下提升系統(tǒng)運(yùn)行效率的措施

上文對(duì)鋰電池充電及保護(hù)技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用原理進(jìn)行了分析，從分析數(shù)據(jù)中可以看出，若想提升單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，關(guān)鍵在于電路的設(shè)計(jì)及控制。在電路控制方面，處于首要位置的是充電器的選擇，應(yīng)選擇性?xún)r(jià)比相對(duì)較高的充電器。以電動(dòng)車(chē)鋰電池充電及保護(hù)技術(shù)的運(yùn)用情況來(lái)看，選用的是PIC16F72型號(hào)，配備5個(gè)外部輸入接口，可用的引腳多達(dá)33個(gè)，ADC也有10個(gè)，可以同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立電池組的檢測(cè)工作，可借用外部接口來(lái)完成對(duì)均衡電路和充電電路的控制工作。該單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間達(dá)到8 K，可用來(lái)存儲(chǔ)字節(jié)和數(shù)據(jù)，14位的指令碼也是該型號(hào)單片機(jī)獨(dú)有的特色，所以，該單片機(jī)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力更加強(qiáng)悍，可以充分滿足鋰電池的充電需要。此外，系統(tǒng)中融入了均衡電路模塊，單片機(jī)將監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)以地址碼的形式發(fā)送給充電器，再選取相應(yīng)的均衡電路對(duì)過(guò)多的電流采取分流處理，以此來(lái)提升充電效率。系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電源在接收到PG信號(hào)時(shí)，可自動(dòng)開(kāi)啟PMOS管，完成對(duì)電池的充電工作，此管路受捕獲-比較-脈寬調(diào)制（Capture Compare PWM，CCP）模塊控制，根據(jù)接收信號(hào)的不同，對(duì)電池組采用不同的控制力度。

5 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用使鋰電池充電及保護(hù)技術(shù)得到了有效的提升，借由先進(jìn)的系統(tǒng)完成對(duì)鋰電池的電路、過(guò)流等多重保護(hù)，以此達(dá)到均衡充電、提升充電效果的目的。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和優(yōu)化的電源，更可以提升單片機(jī)系統(tǒng)的整體性?xún)r(jià)比，通過(guò)調(diào)研結(jié)果可以得出該系統(tǒng)是具有實(shí)際推廣意義的，可以在未來(lái)的使用過(guò)程中予以普及。

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