一種小型移動機器人鋰電池充電器設計

張 蓉，鄭思儀，楊 玲

（武警北京指揮學院信息技術教研室，北京 100012）

鋰離子電池具有放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應、體積小質量輕及無公害等優點，目前已基本替代鉛酸、鎘鎳蓄電池，成為移動機器人的主要動力電池[1-5]。但另一方面鋰離子電池對充放電要求很高，當過充電發生時，電解質會被分解，而使得電池內部的溫度與壓力上升，鋰離子電池壓力與熱量的大量增加，容易產生火花、燃燒甚至爆炸，所以鋰電池的充電器設計相對較為復雜[5-7]。

小型機器人由多個舵機組成，對電壓和電流值要求較高，這就需要使用多節鋰電池串聯組成電池組以滿足其要求，但由于單節鋰電池內部特性的不一致，必然導致各節鋰電充電不一致，這樣就對多節鋰電的充電器設計提出了更高的要求。

針對上述情況以及具體需求，本文設計了一種智能平衡充電器，可對兩節或三節鋰電池進行充電，電流設計了大小兩檔，可根據電池電量情況自動切換，電池充滿時可自動停止充電，以防止電池過充出現危險。通過實驗證明，該充電器取得了比較好的效果。

1 系統組成及原理

針對鋰離子電池的特殊性，充電器設計的主要思路分為以下幾個方面：

（1）采用平衡充電的方式，對鋰電池組中的每一塊鋰電池進行單獨充電；

（2）針對電池電量情況采用大小兩檔電流進行充電，以保證最大程度的將電池充滿；

（3）使用微處理器對電池狀態進行實時的監控，以保證電池狀態發生變化時可及時進行相應的調整。

充電器系統主要由3個單元組成：(1)微處理器單元；(2)平衡充電單元；(3)恒流單元。微處理器作為數據處理和充電控制的核心要求既要具有一定的數字信號處理能力又要求體積小，因此選擇了性價比較高的STC12C5410AD型微處理器，可使用其片內A/D轉換口接收電池電壓數據，經計算后可通過專用驅動輸出口完成對充電電流和電源開關的控制[8]；平衡充電單元主要由TL431、DB136和電位器等組成，完成對鋰離子電池組的各個電池的單獨充電任務；恒流單元由LM317和電阻組成，實現充電電流恒定可調的作用。整個系統原理如圖1所示。

2 充電器系統設計

2.1 平衡充電單元設計

為了降低成本、簡化設計，平衡充電單元由三個充電子單元組成，每個單元都由TL431、DB136和電位器等元件組成，電路如圖2所示。

三端可調分流基準源TL431在充電子單元中發揮了非常重要的作用。由于單節鋰離子電池充滿后電壓大約在4.2 V,所以可以通過調節電位器W2將充電單元兩端電壓穩定在4.2 V。

當電池兩端電壓小于4.2 V時會將充電子單元兩端電壓拉低，為了穩定電壓TL431會將端口1的電壓值升高，這就導致三極管DB136進入截止狀態，電流大部分流向電池，充電器進入充電狀態；當電池兩端電壓等于或大于4.2 V時，充電子單元兩端電壓升高，同樣為了穩定電壓TL431會將端口1的電壓值降低，此時DB136進入導通狀態，大部分電流經過DB136進入二極管并以熱量形式散發，充電狀態結束。

2.2 恒流單元設計

恒流充電單元由主要由LM317、繼電器和電阻組成，電路如圖3所示。

LM317的管腳3為輸入端、管腳2和1分別為輸出端和調整端。由于輸出端和調整端之間始終存在1.25 V的壓差，所以可以針對LM317這個特性進行恒流充電設計[9]。

我們選用了7.4 Ω和2.5 Ω兩個電阻作為充電電流的調整電阻接入到輸出端和調整端之間。當繼電器電流控制開關JP1斷開時，電阻為7.4 Ω，充電器為小電流充電狀態；當繼電器JP1接通時，電阻小于2.5 Ω，充電器進入大電流充電狀態。

JP2為充電器的電源控制開關，當有電池接入時，JP2接通，充電器向電池充電；當電池充滿時，JP2斷開，充電結束。

2.3 微處理器單元控制設計

2.3.1 控制策略

為了保證在不損壞鋰電池的情況下盡可能地將電池充滿，微處理器單元對鋰電池組中的每塊電池都進行了AD采樣，以達到實時監控電池的充電狀態。AD采樣后的數據進行了中值濾波算法，以消除噪聲對數據的干擾。當電池狀態發生變化時，微處理器通過控制電源和電流控制開關做出相應的響應。

充電器的控制策略設計如下：

（1）當微處理器檢測到有鋰電池組接入時，打開電源控制開關，并切換到小電流充電狀態；

（2）檢測鋰電池組中的各個電池的電量，當每塊電池電壓都低于4 V時，采用大電流充電，當其中任意一塊電池電壓大于4 V時，進入小電流充電狀態；

（3）當鋰電池組中任意一塊電池的電量大于4.2 V時，為了保證鋰電池組的充電安全，充電器斷開電源控制開關，充電結束。整體的程序流程如圖4所示。

由于小型移動機器人在使用過程中，每一塊鋰電池的放電程度各不相同，而智能充電器完成充電的標準是以其中一塊鋰電的電壓到達4.2 V為結束信號，因此充電完成后三塊鋰電的電壓必然各不相同。這里我們進行了7次充電實驗，并且分別記錄了充電完成后每一塊鋰電的電壓，其結果如表1所示。

依據上表可以看到，充電完成后，三塊鋰電的電壓有所區別，但最低電壓值不低于3.9 V，平均電壓達到了4.0 V以上，滿足了小型移動機器人的電壓使用條件。

2.3.2 軟件功能及結構

系統軟件集數據采集、狀態切換于一體，按其功能和結構特點分為3個模塊，即初始化模塊、主模塊、定時中斷處理模塊[4,10]。

這里初始化模塊主要完成系統的初始化，包括片內外圍的初始化，RAM、A/D初始化，串口的初始化，A/D測試及采集，狀態信息采集，參數的設置等。

主模塊主要完成系統狀態的檢測、鋰電池電壓數據的濾波去噪以及對電源控制開關和電流控制開關的實時響應等工作。

定時處理模塊主要完成與時間有關的周期性任務，包括鋰電子電池的電壓數據采集，串口數據傳輸等。定時中斷設計為每10 ms一次，中斷處理程序內部設置一個軟計數器，用于控制周期為20 ms的處理程序[11]。

3 結束語

本文設計的鋰電池組充電器，在動力鋰離子電池組能源管理中引入了智能化的控制及管理方法，通過內置的微處理器,對動力鋰離子電池組提供了平衡保護，發揮鋰離子電池的最大性能。電路設計簡單,具有體積小、質量輕、充電節數可編程等優點，性能可靠、穩定,適用性強，并且具有充電電流可調節、保護功能齊全和使用方便等一系列優點。目前經過測試已經取得了較好的效果,具有推廣價值和應用前景。

[1]ARMSTRONG T.鋰電充電器IC應變便攜式產品市場發展[J].電子設計技術，2003，12：22.

[2]王洪輝，庹先國，余小平，等.基于單芯片的鋰電池/組充電器設計[J].電源技術，2009，33(2)：127-129.

[3]王松林，牟在鑫，來新泉，等.一種基于復合運放的線性鋰離子電池充電器[J].微電子學，2008，38(1)：111-115.

[4]董文博,吳知非.數字化智能充電器的設計[J].電子技術應用，2006(1)：78-80.

[5]邊延凱，田爽.一種便攜式智能充電器的設計[J].電源技術，2006，30(8)：677-680.

[6]余麗敏，程恩，林耿超.全功能鋰電池充電器的PIC設計[J].廈門大學學報(自然科學版)，2001，40(6):1217-1221.

[7]應建華，陳建興，唐仙，等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設計[J].微電子學，2008，38(3)：445-448.

[8]黃繼昌.電子元器件應用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[9]求是科技.單片機應用系統開發實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[10]求是科技.單片機典型模塊設計實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[11]李凱，張斌.一種新型智能動力鋰電池組能源管理模塊[J].微計算機信息，2006，22(9)：150-151.