沖擊波測試用電池充電系統設計

張寧，王春艷，白素平

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

某型號沖擊波測試系統測試應用時由專業電池供電，要求能提供直流電壓±7.2V，在-25℃環境下放電電流高于100A，且連續工作達到4h。已往系統測試時所使用的是專門訂做的一次性高能低溫電池，由于電池消耗快、不能重復使用，每次試驗需要量大，造成試驗的成本很高。同時，電池需進行特殊灌封加工，以保證試驗中電池工作可靠，其生產周期較長。又由電池存放有自身放電現象，只能試驗前進行加工生產，影響試驗的進程。如果采用可充電電池方法，就能達到降低成本、減少試驗經費目的。目前存在-20℃條件下工作的充電電池，且可重復充電500次以上，容量性能也能滿足系統測試的基本要求。由于所用充電電池每套由4節鋰電池構成，且需要每節獨立充電，目前沒有能夠滿足需要的充電設備，因此，為了滿足該充電系統的需要，本文專門設計了一種基于 DS2770的充電系統。

1 總體結構設計

充電系統結構框圖如圖1所示。由于測試系統一次需要給多個節點供電，系統工作前需要準備多套電池，設計的充電器由多套充電系統構成，可以同時對多套電池充電以滿足要求。整個充電器以交流220V電作為輸入電壓，分別連接到每個充電模塊，經變壓器后輸出4.2V的充電電壓。由于每個電池由4個電芯組成±7.2V的輸出，為保證每個電芯都可以獨立充電，通過控制 MOSFET選擇該模塊的充電電芯。每個充電模塊都具有專用充電管理芯片，可以獲得該模塊每個電芯的充電電壓和已經充入的電量。

圖1 充電系統結構框圖Fig.1 Battery charging system structure

2 DS2770的原理結構

每套充電系統采用專用充電管理芯片 D S2770對充電電壓和充入的電量進行管理，該芯片具有優異的充電管理性能，其主要特點如下：

圖2 DS2770應用原理圖Fig.2 The basic concept of DS2770

圖2中芯片即為一線式芯片 DS2770，即通過DATA線完成所有的信息交換。RSNS為0.025的檢測電阻，該電阻可以為芯片內集成，如果為外接狀態則所有的測量以電壓為單位，如果選擇芯片內集成，則是以電流為計量單位。為了和電池容量有更直觀的對照，設計中采用內部集成檢測電阻的芯片。該電路充電原理如下：

（1）充電初期

在充電初期如果電池電壓過低（低于 3 V，說明電池處于過放電狀態），/UV引腳為低電平，說明在高速充電前首先需要以低速對電池充電，晶體管4403導通，受360電阻影響，充電器對電池進行涓流充電，當電池電壓上升到3V以后，則/UV變高，/CC變低，晶體管FMMT718導通，開始進行快速充電。

（2）充電末期

圖3 充電末期時序圖Fig.3 Timing sequence of charging later period

充電末期時序圖如圖3所示。當電池充電達到額定電壓（4.2V）時，則采用脈沖充電技術進行最后的充電，方法為：/CC引腳保持為低延遲875ms，然后/CC為高，當電池電壓下降低于4.2V時，/CC再次變低，如此循環下去，同時/CC的占空比隨著改變，最后當電池的電壓下降時間超過13.125s時（/CC變高的時間超過13.125s時），充電終止，電池充電結束。

3 充電控制與功能實現

圖4 電池內部連線結構圖Fig.4 Attachment structure inside the battery

因為電池輸出需要±7.2V，而鋰電池單體為3.6V，故需要4節電池串接，以中間抽頭作為參考點。為提高充電性能，延長電池使用時間，充電時采用單替充電的方式進行。由于共有4塊電池，因此充電時需要至少具有5根充電引線（4根電源正極，1根參考地線），而電池工作時則僅需3根引線（正負電源和地），其引線連接如圖4示。

為不增加電池上的額外連接，電池做成圖5所示形狀。充電時，充電節點1和-7.4V、地和充電節點1、充電節點2和地、+7.4V和充電節點2構成4組充電電路，而放電時，則充電節點1和充電節點2不接入電路，4節電池構成±7.4V和公共地線。

圖5 電池封裝外觀示意圖Fig.5 Battery packaging appearance

3.1 充電邏輯控制

圖6 單片機控制充電流程圖Fig.6 Flow chart of MCU charge control

充電控制電路由單片機完成，主要完成的工作有：讀取DS2770里的數據信息；將顯示的信息輸出到數碼管上；切換充電電路到給定的電池上，其控制流程如圖6所示。單片機上電復位并完成自檢后首先測量第一個電池的電壓，如果電壓超過設定的門限值，則認為該電芯電量是滿的，可以不用充電，否則進行充電，依此類推，完成全部的電芯充電。

3.2 充電電壓及充電電量的獲取與顯示

充電電壓及充電電量的獲取同樣由單片機完成，利用DS2770的一線式數據接口協議，單片機以一個 I/O口模擬出該通信協議并完成與 DS2770的通信。由于電池電壓值和充電電量都存儲在DS2770的寄存器內，因此，單片機基于一線協議讀取DS2770的寄存器即可獲得充電電壓及充電的電量值。最后，在單片機內部將測得的值轉化為可顯示的數據后，通過異步串行接口送出顯示，利用串并轉換芯片 74LS164將串行數據轉化為并行數據，驅動數碼管顯示測得的值。圖 7為顯示電路圖。

圖7 數碼管顯示電路Fig.7 Digital tube display circuit

4 結論

利用DS2770豐富的充電計量和管理功能，同時利用單片機的強大管理能力，設計實現的充電系統具有智能、快捷、輕便的特點，能夠自動實時顯示當前的充電電壓值以及充入電池的電量，方便用戶的操作和使用。最終運行結果表明，所設計系統達到了預期功能并能夠穩定運行。

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