基于單片機的鋰電池充放電電路設計探討

南京林業(yè)大學淮安校區(qū)電工電子實驗中心 徐文雋

南京林業(yè)大學淮安校區(qū)物理實驗中心 王 芳

基于單片機的鋰電池充放電電路設計探討

南京林業(yè)大學淮安校區(qū)電工電子實驗中心 徐文雋

南京林業(yè)大學淮安校區(qū)物理實驗中心 王 芳

隨著科學技術的不斷完善和發(fā)展，移動智能產品的功能日益多元化，其使用越來越頻繁，各類數碼產品的鋰電池不能滿足用戶的需求，移動電源在人們的生活中得到廣泛的應用。移動電源的儲能單元一般都是鋰電池，本文通過分析鋰電池的主要工作愿和能力，分析其充電和放電的主要特征，完善鋰電池充電和放電的設計，并且提出了具體的設計方案，提升移動電源的實用性。

鋰電池；移動電源；充電；放電

隨著移動互聯網的不斷發(fā)展，智能終端得到普及，可攜帶式的移動電子產品得到人們的青睞。智能手機、平板電腦等設備都需要采用鋰電池供電，但是人們對這些電子產品非常依賴，常常出現電力不足的情況?，F在各類數碼產品的功能非常完善，而且使用也非常頻繁，完善電子產品的鋰電池的性能顯得非常關鍵。為了確保外出時電子產品可以保持充足的電量，很多用戶都會采用移動電源給電子產品充電。移動電源中由鋰電池供電，其在平板電腦、數碼相機中也得到了應用。移動電源技術突破了固定電源的局限性，在鋰電池發(fā)展中也是一項突破。本文結合單片機技術，分析鋰電池充電和放電的設計。

1 充電和放電電路系統(tǒng)結構及鋰電池的優(yōu)勢

1.1 充電和放電電路系統(tǒng)結構

移動電源俗稱充電寶，其中有鋰電池作為儲能電源，借助升壓和降壓的方式，對電力進行釋放和保存，結合了儲存電能和提供電能的功能，其體積比較小，攜帶非常方便，可以給各類數碼產品隨時充電。充電和放電系統(tǒng)主要是由控制電路、升壓電路和充電管理電路等構成。升壓電路主要起到輸出斷路和保護電路的效果，移動電源的鋰電池主要起到充電、放電和保護電路的效果，系統(tǒng)供電管理電路主要起到電量的檢測效果。

充電系統(tǒng)的質量受到充電電池的材料、體積和容量等影響。由于鋰電池與其他類型的電池比較而言，其質量比較小，而且體積不大，放電量不大，可以進行快速的充電，在各類智能設備的充電中得到廣泛的應用。與液態(tài)的電池相比較而言，移動電源中的鋰電池充分的采用固體聚合物，電池的形狀非常薄，而且形狀可以發(fā)生變化，體積也能得到縮小，其能量密度非常大，在相同的體積下，鋰聚合物電池的重量更小。所以，在電子產品中的移動電源中，一般都是采用鋰聚合物電池。

在移動電源中使用的鋰電池對電壓提出了非常精確的要求，一般電壓控制在4.5V以內，其電壓非常低，在低電壓的情況下，鋰電池在為各類數碼產品充電的環(huán)節(jié)中，需要借助升壓控制電路，在移動電源的電力向外界輸出時，應該先提升其電壓。在移動電源中常用的是鋰聚合物電池，在儲能完成后，應該及時補充電量，在鋰電池的電路中，應該確保設計了充電控制電路。在移動電源的核心技術中，在給手機充電的環(huán)節(jié)中，應該分析放電的電路和電壓的曲線是否是平滑的，如果曲線不是平滑的，其就會對充電設備產生破壞，所以，在充電和放電的環(huán)節(jié)中，要完善電路的保護設計，防止電路輸出不穩(wěn)定，對智能設備產生損壞，而且也會影響移動電源的質量。

移動電源是化學電池設計的產物，在使用中，電池的容量、壽命和安全性對其產生直接的影響。在鋰電池廣泛應用的今天，移動電源也得到了人們的青睞。在很多移動電源的生產廠家中，他們對移動電源的性能都有明確的要求，移動電源具有較好的限流保護的效果，而且可以防止電流發(fā)生短路情況，完成反充保護線路的設計。在自動充電和快速充電中可以得到完善，而且在電量充滿后，可以實現自動化的斷電。在移動電源上還涉及了LED燈，對充電的狀態(tài)進行展現，并且實現了低噪聲的充電方式，可以模擬微電腦的控制。在移動電源的生產中，如果要采用鋰電池，那么要保證充電的環(huán)節(jié)中保持恒定電流和恒定電壓，從而確保電池的容量可以得到有效的利用。在進行鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，將其放置到最大的電壓中，如果出現過充的情況，就會對電池產生損壞。而且如果電壓非常低，要采用預充的方式，在充電終止時要進行相應的檢測，還可以采用其他的方式，對電池的溫度檢測，完善電池的附加保護。

如今，在進行移動電源的設計中，實現了電池的充電功能，LED顯示電量的功能，保護機制，當移動電源在充電中，電池的溫度超過一定的數值，就會停止充電，或者電壓出現異常情況后，指示燈會呈現紅色。在過流和過壓的情況下，移動電源都能得到保護。在針對異常情況進行處理中，可以確?？焖俚幕謴统潆?。

1.2 鋰電池的優(yōu)勢

其一，鋰電池的能量密度非常高，在使用中，其體積能量密度和質量能量密度都能得到保障，而且隨著鋰電池的不斷研發(fā)，其能量密度還在不斷的提升。

其二，其工作電壓可以得到保障，在單節(jié)鋰電池放電的環(huán)節(jié)中，其電壓可以達到3.7V，其在3V的電路中也能正常的供電。如果電子設備的電壓比較高，可以將電池串聯在一起使用，串聯的電池數量會大大的減少。

其三，鋰電池的自放電非常小，通常在10%以下，這是普通的鎳電池不能達到的。

其四，鋰電池實現了快速的充電和放電功能，每次充電一個小時就能充80%的電量，鋰電池的負極是采用碳電極構成，其可以代替普通的金屬離子，其可以實現快速的充電。在比較危急的情況下，鋰電池可以在兩個小時內將電量充滿，其安全性可以得到保障。

其五，鋰電池的壽命非常長，鋰電池的負極采用的是碳負極，所以在充電和放電的環(huán)節(jié)中，在負極處不能有金屬鋰產生，從而可以防止電池在充電的環(huán)節(jié)中出現短路的情況。鋰電池可以使用1000次以上。

其六，鋰電池在不同的溫度范圍下都能使用，鋰電池實現了低溫放電的能量，其在-20攝氏度的低溫環(huán)境下能使用，在60攝氏度的高溫條件下也能使用。其高溫放電性能是其他類型的電池不能達到的。

其七，鋰電池的體積小，而且輸出的功率非常大，不會產生嚴重的污染。其綜合性能要比鎳鎘等電池好。

2 硬件電路設計

在進行移動電源硬件電路設計的環(huán)節(jié)中，應該采用低能耗的單片機的方式，單片機的成本比較低，而且不會有太多的引腳，在小型的家電中也得到了廣泛的使用。在進行溫度的測量和高端智能充電器的使用中，得到廣泛的應用。在本次的設計中，結合充電器、穩(wěn)壓器等實現了移動電源充電和放電的保護工作。

2.1 單片機控制電路

在進行單片機的控制電路設計中，一般是采用高速度，低能耗的設計方式，單片機具有8位高性能精簡指令，內部采用一次性編程的方式，采用數據寄存器的方式，計數器也采用8位的。在系統(tǒng)中采用多個時鐘，工作模式主要有四種，信道有15個，莫屬轉化器采用十二位的，中斷源有五個。在設計中，移動電源的控制系統(tǒng)運用單片機實現。

控制電路的主要作用在于實現對電壓的收集，對充電和放電的狀態(tài)進行控制，對電量進行指示。單片機的復位端口處的開關直接控制整個系統(tǒng)的工作。發(fā)光二極管主要對充電和放電時的電量進行展示。在充電器的芯片中可以及時的放出信號，對鋰電池的充電情況進行判斷。如果是處于高電平的狀態(tài)下，就說明鋰電池處于充電的狀態(tài)，如果是在低電平的狀態(tài)下，說明鋰電池沒有在充電的狀態(tài)中。由于鋰電池自身的電壓并不是特別的穩(wěn)定，其變化的范圍比較大，所以在對其模擬輸出量進行分析中，應該采用串聯電阻分壓的方式，控制好模擬量的變化范圍。在充電檢測端口處，應該完善放電檢測端口的設計。端口一般是放電檢測端口，采用降壓型的穩(wěn)壓器，可以在一定程度上延長電池的使用年限，防止電池在充電和放電的環(huán)節(jié)中出現電壓不穩(wěn)定的情況，從而確保供電的穩(wěn)定性。單片機在對電路進行控制的環(huán)節(jié)中，可以結合低壓差大流穩(wěn)壓器的方式。

2.2 系統(tǒng)供電管理電路

在本次的研究中，采用系統(tǒng)供電的方式，運用線性充電器的方式，其可以確保電流和電壓處于恒定的狀態(tài)。在電壓和電流保持恒定的狀態(tài)下就能保障鋰電池實現線性充電。為了完善散熱的效果，在系統(tǒng)下部都安裝了散熱片，為了確保芯片的正常使用，也可以設計USB接口的方式，結合適配器電源。在內部設計了防止倒充的電路，所以不需要采用隔離二極管的方式。

在移動電源正在使用的環(huán)節(jié)中，采用高腳電平，芯片的使用狀態(tài)非常好，在引腳為充電電路大小，實現對引腳的控制，在接受一定的電阻后，在充電的時候可以保持恒定的電流和電壓，電壓可以控制在1V，在電流通過引腳后，電流的數值也是恒定的。在引腳向鋰電池提供電流后，內部設計了精確的電阻分壓器，從而完善電壓的恒定性。在整個充電過程，實現了智能化的監(jiān)控，在鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，完善了預充、電流恒定和電壓恒定的功能。

2.3 充放電保護電路

在鋰電池的使用中，要設計好專門使用的芯片，從而可以防止鋰電池出現過度充電的情況，電流過大會導致鋰電池的使用年限的縮短，甚至會出現電池被損壞的情況。提升電壓檢測的精度，完善延遲的功能。在完善充電和放電保護電路后，可以確保導通電阻的的降低，提升鋰電池的性價比。在電池保護和低壓開關電路的使用情況中，可以完善鋰電池過流保護的效果，在進行引腳的設計中，可以設計放電控制引腳，在對電壓進行檢測的環(huán)節(jié)中，應該有效的控制放電，當電壓提升后，再恢復正常的放電。在充電控制引腳的設計環(huán)節(jié)中，在對電壓監(jiān)測中，如果電壓比較高，應該分析鋰電池是否出現了過充的情況，在電壓降低后可以進行繼續(xù)充電。在這項設計中，可以有效的防治鋰電池過度的放電和過度充電的情況，防止對鋰電池的壽命產生影響。

2.4 升壓輸出電路

在升壓輸出電路的設計中，要充分的采用穩(wěn)壓器，可以完善電壓源、振蕩電路、誤差放大器等切換，從而對切換電路進行合理的控制，在高效率的電路中可以充分的采用。這種方法可以充分的借助寬柵極電壓的處理方式，在電池保護中得到廣泛的應用。

在升壓輸出電路的應用中，主要是采用穩(wěn)壓器的方式，當鋰電池的負載較大的情況下，可以采用高電平的方式，確保芯片可以正常的使用。在專用鋰電池的升壓后，可以采用引腳輸出的方式。

3 結語

本文主要分析了移動電源鋰電池充電和放電的情況，完善升壓方式，在移動電源的設計中實現了安全性，在各個單元電路的設計中更加的完善，完善外圍電路的設計，并且完善了溫度保護、過載保護和漏電保護的方針。

[1]尤國平．基于單片機的鋰電池充放電電路設計[J]．科技廣場,2016(05)：58-61．

[2]王立志,何東朗,李棟,汪德洋,張峰源．基于STC15的鋰離子電池充放電保護電路[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2016,16(01)：26-28+32．

[3]代健美,耿華芳．一種電池組均衡充放電電路的設計與實現[J]．國外電子測量技術,2015,28(06)：38-40．

徐文雋（1989—），女，山東巨野人，大學本科，助理實驗師，研究方向：儀器儀表、單片機。