【文章內容簡介】 低的電池除了需要進行預充、充電終止檢測、電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法，作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限制充電時間，為電池提供附加保護，由此可見實現安全高效的充電控制已成為鋰離子電池推廣應用的目標。按照鋰離子電池的特性參數和充、放電曲線完成充電器設計，可以完成如下的功能。（1）電池充電功能完成基本的充電功能，能按電池的充電曲線，完成恒流/恒壓充電。（2）LED指示電池正在充電，充電器的LED指示燈顯示為紅色；充電后，LED指示燈顯示綠色。（3）保護機制當電池和充電器的工作溫度超過設定范圍，或者充電電壓出現異常時，系統(tǒng)的紅色LED指示燈閃爍。此外，對于過壓和過流狀況采取相應的保護措施，保證充電的正常運行。（4）異常處理系統(tǒng)能在排除異常后，重新恢復充電。2 鋰電池組充電原理介紹 鋰離子電池的電化學原理圖1所示為鋰離子電池的充放電原理示意圖，其內部的化學反應方程式為： 正極反應：負極反應：電解液：LiPF(氟磷酸鋰）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC ( 碳酸二甲酯)圖1 鋰離子電池原理示意圖 充電時鋰離子從正極層狀物的晶格間脫出，通過電解液遷移到層狀負極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時剩余電子從外電路到達負極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出回到正極氧化物晶格中。 負極枝晶效應在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C組成的負極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會使得Li+來不及進入負極柵格，在負極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近碳C負極的Li+很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會在負極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。 另一種情形，隨著負極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動過來的Li+找到空格的機會就困難，時間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會刺破正負級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂?，充電的速度越快越危險，充電終止的電壓越高也就越危險，充電的時間越長也越危險。 鋰電池充電原理電池的特性唯一地決定其安全性能和充電的效率。電池的最佳充電方法是由電池的化學成分決定的（鋰離子、鎳氫、鎳鎘還是SLA電池等等）。盡管如此，大多數充電方案都包含下面的三個階段：（如圖2所示）1. 低電流調節(jié)階段 2. 恒流階段 3. 恒壓階段/充電終止圖2 鋰電池充電過程圖～ V，則意味著電池已經完全放電，且必須激活。在激活階段利用較低的恒定電流充電（～ C，其中 C是額定電池容量），直至電池電壓達到預期電平。根據電池制造商的建議，～3個小時左右。如果電池電壓在激活階段無法升高到 ～ V以上，則可以認定電池被損壞。激活階段之后開始進入快速充電階段?？焖俪潆娪袃煞N模式：恒壓模式和恒流模式。在電池電壓低于預定電平（～ V，參照電池制造商的建議）時，用恒流充電（～1C，參照電池制造商的建議）。在電池電壓達到預定電平時，充電電源切換到恒壓模式（～ V）。如果充電電流降低至預定限值以下，則結束充電過程。 C。 快速充電階段必須采用超時保護。恒流充電時間估計可以提供 100～120％ 的電池電量，因為此模式下電池充至容量的 70～80％。根據制造商的建議，恒壓充電時間限制到2個時.充電時部分電能被轉換成熱能，直至電池充滿。而充滿后，所有的電能將全部被轉換成熱能。如果此時不終止充電未，電池就會被損壞或燒毀。快速充電器 （電池完全充滿的時間小于兩小時的充電器）則可以解決這個問題，因為這些充電器是使用高充電電流來縮短充電時間的。因此，對于鋰離子電池來說，監(jiān)測它的溫度是至關重要的，因為電池在過充電時會發(fā)生爆裂。在所有的充電階段都應該隨時監(jiān)測溫度的變化，并且在溫度超過最大設定值時，立即停止充電。 充電方案 快速降壓轉換器要實現一個恒流恒壓的輸出，最經濟的方法就是用一個快速轉換器?？焖俎D換器是一個用一個電感和/或一個變壓器（需要隔離的時候用變壓器）作為能量存儲單元，以離散的能量包的形式將能量從輸入傳輸至輸出的開關調節(jié)器，反饋電路通過晶體管來調節(jié)能量的傳輸，同時也作為過濾開關。以確保電壓或電流在負載時保持恒定。 快速調節(jié)器操作快速降壓轉化器的操作是通過控制一個晶體管開關的占空比來實現的，占空比會自動增加以使電池流入更多的電流。這里我們假設VBATT為電池組的電壓，VREF為預先設定好的基準電壓，當VBATTVREF時，開關閉合。如圖3a所示，電流流入電池和電容 C，這個電流同時也存儲在電感L中，VBATT持續(xù)升高，直到超過VREF，此時通過反饋電路調節(jié)開關斷開，參見圖 3b。存儲在電感中的電流迅速下降直到二極管偏置，使得電感電流以減速流入電池，電容C在電感電流衰減后開始放電，并且最后VBATT開始下降，當VBATT低于VREF時, 反饋電路再次將開關閉合并開始另一次循環(huán)。在較大的范圍內，如果減小占空比（縮短“閉合”的時間），平均電壓就會下降，反之亦然。因此，可以通過控制占空比的方法調節(jié)電壓或電流至所需要的值。圖3 降壓轉換器 快速轉換器的電感選擇要確定快速轉換器中電感的大小,首先應假定晶體管的占空比為50%，因為此時的轉換器操作操作效率最高。占空比由方程式1給出，其中 T 是 PWM 的周期，在本例中T = S 。 (21)式（21）給出了占空比的表達式。至此，就可以選擇一個PWM的轉換頻率。如方程式2所示，PWM的轉換頻率越大，則電感的值越小，也越節(jié)約成本。我們的示例代碼配置Atmega128的8位硬件 PWM 是使用內部12 MHz主時鐘的256分頻來產生一個 的轉換速率。 (22)式（22）給出了電感值的確定公式?，F在我們可以計算電感的大小了。假定充電電壓Vi的值為12V，,并且最大輸出電流Iomax為 1000 mA。那么，電感的值至少應選為32 H。 需要注意的是，在本電路中的電容僅僅是一個紋波衰減器，因為紋波與電容的大小成反比例關系，所以電容的值越大，衰減效果越好。 智能充電器系統(tǒng)框圖在鋰離子電池在充、放電使用中必須注意保護。用一個形象的肥皂泡沫做比喻，鋰離子電池如同一堆肥皂泡沫，泡內存儲的就是電能。充電時，氣泡會隨著充電時間的加長而不斷增大，當超過其極限值時氣泡就會破裂，此時即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞；若過度放電，則會造成氣泡塌陷、消失，這樣下次充電時氣泡就充不起來，導致鋰電池失效。設計系統(tǒng)框架時，除了技術參數外，系統(tǒng)的可靠性和安全性也是至關重要的。為了保證充電不對電池造成永久性損壞，在設計中必須考慮保護措施（包括過流保護、過壓保護和溫度保護）。另外，充電器充電過程包括了恒流工作階段和恒壓工作階段，且系統(tǒng)必須保證恒流、恒壓的穩(wěn)定性。圖1所示時系統(tǒng)的設計框架，包括電壓/溫度采樣模塊、開關控制模塊、保護機制模塊和充電模塊。圖4 系統(tǒng)框架設計保護機制：該模塊主要檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據事先編寫的軟件響應監(jiān)控信號。在實現時，該模塊電路被分散在其他3個模塊的實現電路中。開關控制：該模塊利用A/D檢測充電狀態(tài)，在非法工作時關斷系統(tǒng)電源。充電功能模塊：該模塊的主要功能是產生精確的PWM信號來控制充電的電壓和電流，完成電池充電，并實時采樣系統(tǒng)狀態(tài)。溫度/電壓檢測：該模塊完成對充電器電源電壓，電池兩端的電壓、電流和環(huán)境溫度的監(jiān)測，并根據監(jiān)測值決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)相關參數設定本課題中我們需要設計了一種高精度雙節(jié)鋰電池充電方案。這里我們假設單節(jié)電池的容量為1000mAh,充電方案的參數及參數值示例由表21給出：表21 充電參數值設定編號 參數描述參數值充電參數1IACT 預充電電流 80mA 177。30mA2IRAP 快速充電電流 600mA 177。40mA3ITERM 結束電流（取 1 秒鐘內 ICH 的平均值） 60mA 177。15mA4IMAX 緊急充電停止電流 720mA 177。70mA5VACT 預充電開始電壓 177。6VRS 快速充電開始電壓 177。7VFULL 滿充電壓 177。 8VMAX 緊急充電停止電壓 177。 9VRECH 再充電電壓 177。 定時要求10tACT 預充電階段的時間限制 140 min11tRAP n 恒流快速充電階段的時間限制 80 min12tVCONST 恒壓充電階段的時間限制 120 min13tTERM 完成充電的最短時間（當 ICHAVG ≤ ITERM 時） 10 sec其他參數14IMIN 電池健康測試中最低電流 25 mA15VCC 充電器電源電壓 12V 177。 16Tbatt充電溫度上限50℃3 充電器硬件設計 有了以上的這些基礎，現在可以正式開始我們的設計了，在本課題中，我們需要實現一個對雙節(jié)鋰電池的充電方案，我們可以利用單片機做一個簡單的系統(tǒng)電路。系統(tǒng)整體電路按照實際電路功能可劃分為系統(tǒng)指示燈電路、電源電壓與環(huán)境溫度采用電路、降壓轉換電路和開關控制電路。 Atmega128介紹 芯片主要特性●133 條指令，大多數可以在一個時鐘周期內完成●128K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 Flash、4K字節(jié)的 EEPROM、4K字節(jié)的 SRAM●53 個通用 I/O 口線、 32個通用工作寄存器圖5 Atmega128芯片●實時時鐘 RTC、4 個靈活的具有比較模式和 PWM 功能的定時器 / 計數器 (T/C)●8 通道10 位ADC( 具有可選的可編程增益 )●具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器 ●SPI 串行端口●與IEEE 規(guī)范兼容的JTAG測試接口●六種可以通過軟件選擇的省電模式 芯片主要腳引說明 VCC數字電路的電源GND 地端口A(PA7..PA0)端口A為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口A為三態(tài)。端口A也可以用做其他不同的特殊功能端口B/C/D/E做為一般I/O口使用時與A相同端口F(PF7..PF0）端 口 F 為 ADC 的模擬輸入引腳,也可以作為 8 位雙向 I/O 口端口G(PG4..PG0)端口 G 為 5 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內部上拉電阻RESET復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位XTAL1 反向震蕩器放大器及片內時鐘操作電路的輸入XTAL2反向振蕩器放大器的輸出AREFAREF 為 ADC 的模擬基準輸入引腳PENPEN是 SPI 串行下載的使能引腳。在上電復位時保持 PEN為低電平將使器件進入 SPI 串行下 載模式 電源電路本設計電源模塊主要為單片機和運算放大器供電，假設外部已經提供12V的電源。