基于PIC單片機(jī)的鋰電池智能充電機(jī)設(shè)計(jì)

張錦升，劉佳俊，呂 健，梅俊鋒

（武漢龍安集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

自1972年Armand等科學(xué)家提出搖椅式電池的概念，到1989年西美緒等研究人員研究出適合的正負(fù)極材料和電解質(zhì)材料，并于1991年正式商業(yè)化制造，才真正開(kāi)啟了鋰離子電池作為重要儲(chǔ)能容器的時(shí)代[1]。

目前，無(wú)論在軍用領(lǐng)域還是民用消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)，鋰電池的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與其他儲(chǔ)能電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度[2]。且鋰電池技術(shù)日趨成熟，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的環(huán)境應(yīng)力測(cè)試后，能夠很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境[3]。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種能適配不同電壓等級(jí)和不同容量的智能鋰電池充電設(shè)備具有很重要的意義。

1 充電方案設(shè)計(jì)

充電機(jī)由控制單元、升/降壓轉(zhuǎn)換單元、電池規(guī)格識(shí)別單元、按鍵與顯示單元及放電維護(hù)單元組成。其中，升/降壓轉(zhuǎn)換單元可將輸入的直流電壓（10～32 V）轉(zhuǎn)換為1路獨(dú)立的直流16.8 V/29.4 V輸出，原理如圖1所示。

圖1 充電機(jī)總體連接框圖

2 基于LT8390芯片的充電設(shè)計(jì)

本文采用凌力爾特公司LT8390芯片作為充電控制芯片，將輸入的直流電壓（10～32 V）轉(zhuǎn)換為16.8 V/29.4 V輸出。該控制器輸入、輸出電壓范圍寬（輸入4～60 V，輸出1～60 V），效率高達(dá)98%，提供輸入輸出電流監(jiān)控。典型應(yīng)用如圖2所示。

圖2 LT8390典型應(yīng)用

2.1 充電過(guò)程

鋰電池充電過(guò)程包含恒流充電和恒壓充電兩個(gè)階段[4]。在充電前期，電池電壓較低，將充電電流限定為最高充電電流，電池電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓上升到最高充電電壓時(shí)，維持輸出電壓不變，充電電流逐漸降低至充電完成。

LT8390芯片為Buck-Boost控制器，通過(guò)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)序控制輸出。其中功率開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。

圖3 功率開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化框圖

2.1.1 降壓區(qū)

當(dāng)輸入電壓明顯大于輸出電壓時(shí)，場(chǎng)管D始終接通，場(chǎng)管C始終截止，場(chǎng)管A、B交替通斷，其波形如圖4所示。

圖4 降壓區(qū)工作波形

2.1.2 降壓-升壓區(qū)

當(dāng)VIN略大于VOUT時(shí)，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，功率開(kāi)關(guān)A、C打開(kāi)，電感電流上升。經(jīng)過(guò)15%個(gè)周期后，功率開(kāi)關(guān)C關(guān)閉，功率開(kāi)關(guān)D打開(kāi)，流經(jīng)電感電流持續(xù)上升。當(dāng)電感電流達(dá)到降壓電流峰值門(mén)限時(shí)，在該周期剩余的時(shí)間內(nèi)功率開(kāi)關(guān)A關(guān)閉、B打開(kāi)，如圖5所示。

圖5 VIN略大于VOUT工作波形

當(dāng)VIN略小于VOUT時(shí)，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，功率開(kāi)關(guān)A、C打開(kāi)，電感電流上升。當(dāng)電感電流達(dá)到升壓電流峰值門(mén)限時(shí)，功率開(kāi)關(guān)C關(guān)閉，功率開(kāi)關(guān)D在該周期剩余的時(shí)間內(nèi)始終打開(kāi)。經(jīng)過(guò)85%周期后，功率開(kāi)關(guān)A關(guān)閉、B在剩余時(shí)間內(nèi)始終打開(kāi)，如圖6所示。

圖6 VIN略小于VOUT工作波形

2.1.3 升壓區(qū)

當(dāng)VIN明顯小于VOUT時(shí)，場(chǎng)管A始終接通，場(chǎng)管B始終截止，場(chǎng)管C、D交替接通，其波形如圖7所示。

圖7 升壓區(qū)工作波形

2.2 輸出電壓調(diào)節(jié)

LT8390控制器通過(guò)電壓反饋腳FB可以設(shè)定輸出電壓，當(dāng)FB電壓低于1 V時(shí)，LT8390控制器通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管增大輸出電壓，F(xiàn)B電壓高于1 V時(shí)，降低輸出電壓。輸出電壓換算公式為：

式中：VFB=1 V。

FB管腳還可用于設(shè)置輸出過(guò)壓門(mén)限，當(dāng)FB電壓達(dá)到1.1 V，輸出電壓無(wú)法降低時(shí)，輸出過(guò)壓LT8390控制器判定輸出過(guò)壓。輸出過(guò)壓值換算公式為：

式中：VFB=1.1 V。

2.3 輸出電流調(diào)節(jié)

LT8390控制器的輸出電流，可由接入在輸出回路的檢流電阻RIS和CTRL引腳電壓進(jìn)行設(shè)置。其中，輸出電流流經(jīng)檢流電阻RIS產(chǎn)生的壓降由LT8390控制器的ISP和ISN管腳進(jìn)行檢測(cè)，CTRL引腳用于設(shè)置ISP/ISN電流檢測(cè)門(mén)限。

CTRL引腳電壓范圍為0～6 V，當(dāng)其電壓低于0.3 V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)停止工作，當(dāng)CTRL引腳電壓在0.3～1.15 V時(shí)，電流檢測(cè)門(mén)限（VISP-ISN）由5～90 mV線性增加，最大輸出電流計(jì)算公式為：

式中，Vctrl為CTRL引腳的電壓；RIS為檢流電阻的阻值。

當(dāng)CTRL電壓在1.15～1.35 V時(shí)，電流檢測(cè)門(mén)限由90 mV線性增加至100 mV，Vctrl與VISP-ISN的典型值對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1 Vctrl與VISP-ISN典型值對(duì)應(yīng)表

當(dāng)CTRL電壓大于1.35 V時(shí)（最大6 V），電流檢測(cè)門(mén)限為100 mV。

對(duì)流經(jīng)檢流電阻RIS的電流，LT8390的ISMON管腳提供了一個(gè)經(jīng)緩沖的監(jiān)視輸出，該引腳的電壓可由VISMON=VISP-ISN×10+0.25 V計(jì)算得出，流經(jīng)檢流電阻RIS的電流為IIS=VISMON/RIS。

在設(shè)計(jì)中，由控制單元檢測(cè)ISMON管腳電壓，并提供PWM信號(hào)給LT8390的CTRL管腳，達(dá)到控制最大輸出電流的目的。

3 基于PIC16F874A單片機(jī)的智能監(jiān)控設(shè)計(jì)

鋰電池智能充電機(jī)能對(duì)12 V和24 V多種容量規(guī)格的電池進(jìn)行充電。充電機(jī)控制單元采用MICROCHIP公司的PIC16F874A單片機(jī)作為控制芯片，該單片機(jī)含8位處理器、33個(gè)I/O口、8個(gè)AD采樣通道以及兩個(gè)PWM通道控制[5]。充電機(jī)軟件編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Win7和MPLAB IDE v8.90。

控制單元主要完成以下功能。一是通過(guò)AD采樣口檢測(cè)電池識(shí)別電阻完成電池類(lèi)型識(shí)別；二是設(shè)置PWM占空比控制LT8390芯片CTRL管腳電壓，實(shí)現(xiàn)充電電流控制；三是控制LT8390芯片F(xiàn)B管腳電壓，實(shí)現(xiàn)充電電壓控制；四是通過(guò)AD采樣口檢測(cè)充電電流和充電電壓，判定充電過(guò)程；五是識(shí)別快充慢充切換按鈕，切換快速充電和慢速充電模式；六是控制充電狀態(tài)指示燈和充電模式燈等，完成人機(jī)交互功能。充電機(jī)控制單元按表2參數(shù)設(shè)置不同類(lèi)型電池的充電過(guò)程。

表2 10種電池參數(shù)設(shè)置表

4 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)單描述了設(shè)計(jì)和研制鋰電池充電機(jī)的意義，介紹了充電機(jī)的總體方案，重點(diǎn)敘述了充電過(guò)程設(shè)計(jì)和智能監(jiān)控設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)樣機(jī)研制和整機(jī)測(cè)試，本充電機(jī)對(duì)鋰電池具有良好的充電效果，滿足智能化充電的設(shè)計(jì)要求，能夠自動(dòng)適配10種不同規(guī)格的鋰電池，具有較高的充電效率。