基于P89LPC936單片機的鋰離子電池組智能充電機設計

高安同， 王文兵，張 金，高 望

（1.解放軍陸軍軍官學院 軍用儀器教研室，安徽 合肥 230031；2.合肥同智機電控制股份有限公司 安徽 合肥 230031）

鋰離子電池相對于鎳氫、鉛酸以及鎳鎘等電池在比能量、體積、壽命、環保性等各方面都具有巨大的優勢，但安全性等因素卻制約著鋰離子電池的大規模應用[1-3]。雖然可以通過鋰離子電池內部的優化來提高安全性能，但仍然無法解決鋰離子電池組因過充電、過放電及過熱導致的安全性問題，從而導致壽命終結[4]。

國內外對于鋰離子電池管理系統的研究不斷深入，但是由于技術限制，這些電池管理系統一般只是在電動汽車等大型鋰離子電池組中配備，對于便攜式用電設備所采用的電池組，一般只采用部分保護電路和均衡電路，而對其進行充電的充電機也只能進行充電功能。

目前我國現有的電池充電機絕大多數只能實現電池充電功能，如北京尋北科技發展有限公司生產的TBP0402A-1型充電機，而對于容量檢測及判斷老化程度等功能卻不能實現，為此，設計了基于P89LPC936單片機的鋰離子電池智能充電機，該充電機不僅可以對當前運用廣泛的標稱電壓為25.2 V和14.4 V的鋰離子電池組實現自動選擇充電[5]，具有快速充電和常規充電兩種方式，并有效預防由于過充電、過放電和過熱導致的安全性問題，除此之外，還能檢測電池的容量并判斷電池的老化程度。

1 充電機的硬件設計

1.1 工作原理

輸入的24 V±5 V直流電，經濾波器濾波后，向控制板進行供電，控制板中主要有單片機、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路和充電控制電路等，通過顯示板控制充電機工作狀態及顯示充電電壓、電流、容量、時間等，通過電子負載對鋰離子電池進行恒流放電（如圖1所示）。

1.2 充電機所采用的單片機及其外圍電路

圖1 原理框圖Fig.1 Principle chart

該充電機主要有兩個模塊組成，分別是：控制模塊和顯示模塊。其中控制模塊選用的單片機是PHILIPS公司的P89LPC936FDH Flash單片機，顯示模塊選用的單片機是PHILIPS公司的P89LPC935FDH Flash單片機。兩款單片機都是80C51體系結構，很容易入門。其主要特點主要是：具有超高速CPU內核；具有豐富的片內外圍資源：WDT，稱頻率7.372 8 MHz，度可達1%；超小型TSSOP封裝 （另有DIP、PLCC封裝），能最大限度節省電路板面積；超低功耗：支持低速晶振，3級省電模式，典型掉電電流僅1 μA；在線ICP編程，僅需引出 5 根線（VCC、GND、RST、P0.4、P0.5）；抗干擾能力強，操作電壓2.4～3.6 V。此外，該單片機的優異特性在于它不需要任何外部元件就可以運行，除電源和地之外的所有管腳都可作為I/O口，也就是說28腳LPC932最大I/O口數為26。其有很強的輸出驅動能力。灌電流和拉電流分別達到了20 mA和3.2 mA，這一能力與其可獨立配置的輸出模式（雙向、推挽和開漏）相結合即可獲得非常高的靈活性來驅動任何負載。

控制板中單片機的外圍電路框圖如圖1所示，電壓轉換電路將輸入電壓轉換成單片機的工作電壓后對單片機進行供電，檢測電路對輸入輸出電壓、輸出電流、電池溫度等進行檢測，然后由單片機對采集的數據進行集中處理，最后發出控制指令，通過驅動控制電路實現調節輸出及過壓過流等保護功能。此外，單片機接收檢測指令后，會發射一個信號給電子負載，然后通過對電池進行放電來確定電池的容量是否在可以使用的范圍內。

顯示板中單片機的外圍電路框圖如圖1所示，顯示電路由數據顯示、工作報警指示以及工作狀態選擇3部分組成。數據顯示由三位數碼管完成，工作報警指示由LED指示燈完成，工作狀態選擇則由切換開關完成。顯示板與控制板之間通過I2C通訊方式進行數據傳輸，顯示板負責把工作狀態選擇信號傳送給控制板處理，而控制板則把顯示內容及系統狀態發送至顯示板進行顯示。

1.3 采用LTC6101HV電流傳感器檢測電流

本研究的電量計量方法采用的是電流積分法[6]，該方法通過計算電池組電流與時間的積分，得到電池的充電電量及放電電量，通過與額定電量進行對比獲得電池的SOC，該方法結構簡單，穩定，具有較好的精度，但依賴于電流的高精度測量。因此，電流采樣環節是該充電機的關鍵環節，因此對電流采樣的精度和線性度要求都很高。因此本設計選用凌特公司的LTC6101HV電流檢測放大器來實時的檢測電流大?。ㄈ鐖D3所示），其是一種通用型、高電壓、高壓側電流檢測放大器。其卓越的器件特性提供了設計靈活性：最大失調電壓為 300 μV，電流消耗僅為 375 μA（60 V電壓條件下的典型值）。LTC6101HV采用5 V到100 V電源。

LTC6101HV通過一個外部檢測電阻器（R18）兩端的電壓來監視電流（如式1所示）。內部電路將輸入電壓轉換為輸入電流，因而使得能夠在高共模電壓的小檢測信號轉換至一個相對于地的信號。低DC失調允許采用一個小分流電阻器和大增益設置電阻器。因此，分路中的功耗可大大減少，從而保證電流檢測具有較高的精度。

1.4 采用電子負載放電檢測容量

電池性能檢測采取先常規充電再恒流放電的方式，以1.5 A恒流放電，放電1小時后進行大電流3.5 A放電能力檢查，大電流放電持續時間為30 s，中間間隔10 s的0.3 A的小電流放電，脈沖放電方式持續5 min，此時如果電池的電壓低于19 V，則說明電池不合格，反之則繼續以1.5 A恒流放電到19 V時截止。放電結束后自動轉入常規充電完成一個完整充電過程，單片機內部采用電流積分法計算電池的容量，最終根據充電結束的電池容量判斷電池的老化程度，最終確定電池的更換。放電選用恒流電子負載，通過變換基準電壓來改變放電電流。電子負載電路如圖2所示。

圖2 電子負載電路圖Fig.2 Circuit of electronic load

1.5 基于IR2181S的充電控制電路

為使該充電機能對25.2 V和14.4 V的兩種不同額定電壓的電池組進行自動選擇充電，本設計采用如下設計思路：采用單片機的P1.6口和P2.6口作為充電的控制端口，在單片機對電池的電壓檢測完成后，由單片機發出一個信號G1_CON或者G2_CON，這個信號是一個高低電平信號，G1_CON是高電平代表25.2 V，G2_CON是低電平代表14.4 V，當單片機發出高電平信號即G1_CON時，三極管Q5導通，高電壓信號進入高低端邊緣驅動器IR2181S的HIN口，需要注意的是，TLC555IDR在此的作用是振蕩器，負責給高低端邊緣驅動器IR2181S一個固定的震蕩頻率。通過研究IR2181S資料可知，其HO口的輸出電壓可以高達625 V，而LO口的電壓僅能達到VCC+0.3V，結合圖3所示，電壓信號E1和G1足以將場效應管Q2導通，并且同理分析，此時場效應管 Q3截止，電路的輸入電壓為 Vin+（24±5 V），于是，此時電路的輸出電壓Vout+與Vin+近似相等，電路可以對額定電壓為25.2 V的鋰離子電池組進行充電。同理可以分析低電平信號G2_CON發生時的情況。由于充電機的充電對象是鋰離子電池組，所以電流會比較大，為保護單片機免受影響，設計中采用光耦控制大電流。

圖3 充電控制及電流檢測電路Fig.3 Circuit of charge control and current detection

2 充電機的軟件設計

選擇Keil Software公司出品的Keil C51軟件開發充電機作為P89LPC938 Flash單片機的開發環境，開發語言為C語言。軟件設計的原則遵循電池充放電的規律，采用模塊化設計思路，分4個功能模塊：常規充電、快速充電、儲存放電、容量檢測（如圖4所示）。

智能充電機在開機后，根據操作者按鍵的選擇，充電機將遂行相應任務。如選擇“容量檢測”時，以標稱電壓25.2 V的鋰離子電池組為例：電池先進行常規充電，當充滿電后，對電池進行1.5 A恒流放電1 h，然后對電池進行脈沖放電5 min，目的是檢測電池的大電流放電能力。放電結束后，如果電池的電壓低于19 V，則說明電池目前的老化程度為故障；如果電壓大于19 V，則說明電池的老化程度為合格，并且根據充電機顯示的容量數據，可以獲得電池目前可用的電量參數。

3 實驗結果及分析

本文實驗都是在室溫下進行，所以溫度影響并沒有加以考慮。

本研究針對的對象是剛出廠的兩組標稱電壓為25.2 V和14.4 V的軍用鋰離子電池組，通過對其進行電流大小為2.5 A的1小時快速充電，快速充電曲線和常規充電曲線的示意圖如圖5所示，可知，該充電機快速充電時間相對常規充電而言減少了一半。

圖4 智能充電機功能軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of smart charger’s function

圖5 兩種標稱電壓不同的鋰離子電池組快速充電及常規充電曲線圖Fig.5 Fast charging and normal charging graph of two Li-on batteries with different

圖6 所示的是智能充電機的容量檢測實驗，即先對鋰離子電池進行常規充電再進行1.5 A恒流放電，由圖可知兩組電池經過容量檢測后，發現都為合格，并且電池的老化程度良好，顯示板顯示兩組電池容量分別為2.51 Ah和1.43 Ah，顯示值與電池額定容量相差分別為2.6%和3.1%。并且在電壓和電流輸出精度上，通過用示波器實時對比顯示板輸出的數據內容，輸出誤差保持在0.2%以內，所以該充電機的精度很高。

圖6 兩種標稱電壓不同的鋰離子電池組容量檢測曲線圖Fig.6 Capacity detection graph of two Li-on batteries with different nominal voltage

4 結束語

該充電機能夠滿足標稱電壓不同的兩種鋰離子電池組的充放電需求，并且具備保護電路，能有效的防止電池過充、過放及過熱現象的產生，確保電池的安全。具有顯示模塊，可實時準確的掌握電池在充放電過程中的參數，并且具備容量檢測等功能，能迅速判斷電池的老化程度，并具備較高的精度。

[1]Wencong Su，Eichi H，Zeng Wente，et al.A Survey on the Electrification ofTransportation in a Smart Grid Environment[C]//Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2012（8）:1-10.

[2]Z.Bin.Voltage Characteristics of Li-Ion Power Battery for EVs[J].Chinese Battery Industry，2009，14（6）:398-404.

[3]駱晶，劉國繁，蔡志輝.混合動力汽車用 MH/Ni蓄電池充放電特性研究[J].電源技術，2012（4）:511-514.LUO Jing，LIU Guo-fan，CAI Zhi-hui.Study of Charge-Discharge Character of MH/Ni power battery for HEVs[J].Journal of Power Sources of China，2012（4）:511-514.

[4]吳宇平，袁翔云，董超，等.鋰離子電池——應用與實踐[M].北京：化學工業出版社，2012.

[5]GJB 4477-2002，鋰離子蓄電池組通用規范[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2003.

[6]ZHANG Jin，GAO An-tong，CHEN Rong-gang，etal.Discussion on the Li-on Battery Health Monitoring and Remaining-useful-life Prediction[C].in ICEEP Advanced Materials Research， Guilin， China，2013.