16路智能鋰電池充電、維護儀設計

(同方電子科技有限公司，江西 九江 332002)

0 引言

鋰電池已廣泛運用于手機等消費及工業產品中，而鋰電池長時間不使用可能導致電池性能下降嚴重或失效[1]。為解決鋰電池集中充電及維護問題，本文設計了一款16路智能鋰電池充電、維護儀(以下簡稱維護儀)，可以同時給16塊相同規格的鋰電池集中充電或維護。大大地方便了電池的集中充電工作，同時方便倉儲鋰電池或其他長時間不使用的鋰電池的維護工作。該維護儀還具有電池篩選功能，在充電或維護過程中，能自動識別篩選出性能下降嚴重的電池，提醒用戶及時更換報廢該電池，以避免性能下降嚴重的電池在設備使用過程中帶來的待機時間縮短或其他嚴重后果。

1 工作原理

圖1 工作原理框圖

如圖1所示，維護儀包括以下幾個功能電路部分：輸出12 V(500 W)AC/DC電源部分，為充電電路提供電源輸入；3.3 V電源及電壓基準部分；LTC4008充電電路部分，一共有16路；放電電路部分，一共有16路；微機控制單元；狀態指示部分；充電/維護選擇及3.6 V/7.2 V電池規格選擇開關。

1.1 電池充電

連接交流市電，打開電源開關；確認好要充電的鋰電池是3.6 V規格還是7.2 V規格，并把選擇開關置于正確的電壓規格選擇位置(開關位置對應的“3.6 V”或“7.2 V”指示燈亮)；把充電/維護開關置于充電位(開關位置對應的“充電”指示燈亮)；維護儀處于充電狀態，各路對應的指示燈為綠燈；將待充電的鋰電池插入相應的槽位，維護儀開始充電，對應指示燈為綠燈閃爍；充滿時為綠燈；當有故障時為紅燈閃爍；完全放電的鋰電池充滿約3小時，充滿后的鋰電池應及時拔下，在此接口上可再次插入待充電的鋰電池開始充電。

1.2 電池維護

連接交流市電，打開電源開關；確認好要充電的電池是3.6 V規格還是7.2 V規格，并把選擇開關置于正確的電壓規格選擇位置(開關位置對應的“3.6 V”或“7.2 V”指示燈亮)；把充電/維護開關置于維護位(開關位置對應的“維護”指示燈亮)；維護儀處于維護狀態，各路對應的指示燈為綠燈；將待維護的鋰電池插入相應的槽位，維護儀開始維護工作。

維護時，首先對電池進行充電，第一次充電過程中對應指示燈為綠燈閃爍；充滿后自動轉為放電，放電過程中對應指示燈為紅燈；放電結束后自動轉為第二次充電，第二次充電過程中對應指示燈為紅綠交替；第二次充電到電池總容量的50%[2]左右結束，即完成整個維護過程，維護結束，其對應指示燈為綠燈。完全放電的鋰電池維護結束約7小時，維護完的鋰電池應及時拔下，在此接口上可再次插入待維護的鋰電池開始維護。

(以上充電、維護工作時間是針對7.2 V/6 AH電池的充電、維護的時間)

2 硬件設計

2.1 主要參數指標

1)交流電壓：176～264 V；頻率：50 Hz±3 Hz；

2)被充電/維護電池：3.6 V、7.2 V鋰電池；

3)充電電流：3 A；

4)保護功能：短路保護，充滿保護；

5)失效電池篩選功能：自動篩選出性能下將嚴重的電池；

6)指示：

a)充電過程綠燈閃爍，充滿綠燈；

b)維護時，第一次充電綠燈閃爍；放電紅燈；第二次充電，紅綠交替閃爍；維護結束綠燈；

c)故障：紅燈閃爍。

2.2 AC/DC 電源

充電電路的恒流充電流為3 A，最高充電電壓為8.4 V；每一路充電電路所需的電源功率約28 W，16路充電電路所需的最大電源功率約450 W。所以功率電源部分選用500 W的AC/DC模塊。

2.3 充電電路

圖2 充電電路

如圖2所示：LTC4008是一款高效同步整流充電管理芯片，其轉換效率高于90%[3]。其充電電壓由電阻R1、R2、R3設定。其計算公式為：V=VFB×(1+R1/(R2//R3)),其中VFB=1.2V、R2//R3表示為R3與R3的并聯阻值。

通過單片機控制R3是否接入來設定為給3.6 V鋰電池或7.2 V鋰電池充電。當3.3 V/7.2 V設置信號為高電平時，設置為給7.2 V規格鋰電池充電，R3與R2并聯到地，LTC4008的最高充電電壓為8.4 V；當3.3 V/7.2 V設置信號為低電平時，設置為給3.6 V規格鋰電池充電，R3懸空不起作用，LTC4008的最高充電電壓為4.2 V。

LTC4008的充電電流由R15阻值設置，恒流充電時LTC4008控制R15的壓降為0.1 V，如圖2中充電電流設置為3 A。 充電輸出控制由MOS管V4來實現，充電過程中充電輸出控制信號SON為高電平，V4導通；充電結束后SON信號為低電平，關斷充電輸出。當輸出端短路時，可以通過肖特基二極管V8的箝位快速關斷充電輸出，同時微機監測到該短路信息后，通過軟件把充電輸出控制信號置為低，關斷充電輸出。

2.4 微機控制電路

圖3 微機控制電路

如圖3所示：控制部分的核心由C8051F020單片機組成。該單片機集成有Flash、內部數據RAM、12 位AD、64個數字I/O引腳等，是一款高效的8 位微處理器[4]，極大地簡化了硬件電路設計。該單片機實現對16路充電電路電壓的設置、對16路充電/放電開關分別切換控制、實時監測16路的充電/放電的電壓電流信息、并指示各路的工作狀態。

C8051F020的P0口包含與ZLG7290通信的接口、充電/維護設置端口、3.6 V/7.2 V設置端口；P1口為9至16路的放電控制端口；P2口為9至16路的充電輸出控制端口；P3口為9至16路的充電電壓設置端口；P4口為1至8路的放電控制端口；P5口為1至8路的充電輸出控制端口；P6口為1至8路的充電電壓設置端口；P7口為多路模擬開關的選通控制端口；AIN端口為電壓電流采樣輸入口。

2.5 電壓電流采樣

圖4 電流采樣電路

如圖4所示：應用了雙向電流采樣芯片N4(LTC6104)，實現充電電流及放電電流的采樣放大。電路中設計了16路LTC6104電流采樣電路,分別對16路電池的充電/放電電流采樣。

電流采樣電阻R24的壓降經N4內部的雙差分放電電路處理，在其1腳輸出與R24壓降成線性關系的電壓信號：

充電電流信號：VI1=VREF+VSENSE×(R27/R25)；放電電流信號：VI1=VREF-VSENSE×(R27/R25)，其中VREF為2.5V、VSENSE為電流采樣電阻R24上的壓降。

2.6 多路模擬開關

單片機需要對16路電池電壓、16路充電/放電電流共32路模擬信號進行采樣，用4片多路模擬開關74HC4051來實現選通控制，選通的電壓電流信號分別送單片機的AIN0.0、AIN0.2、AIN0.4、AIN0.6端口。

2.7 放電電路

如圖4所示：電池放電電阻選用3.9 Ω歐姆、35 W的功率電阻。放電電流約2 A左右，最大功耗有18 W，該電阻為TO220封裝，方便安裝于散熱器上用風機強制風冷散熱。

共有16路放電電路，通過單片機來分別控制16路放電電路的工作狀態。

2.8 狀態指示

如圖5所示：用16個紅、綠共陰雙色發光二極管來分別指示16路的充電、維護的工作狀態，方便觀察各路的工作過程及狀態。

圖5 狀態指示電路

應用ZLG7290接口鍵盤及LED驅動器來管理這16個雙色發光二極管[5]。

2.9 充電/維護、3.6 V/7.2 V選擇控制

如圖6所示：當S1開關導通接地時，充電/維護信號為低電平，單片機監測到該低電平信號后，維護儀被設置為充電狀態，同時V27“充電”指示燈亮，V26“維護”指示燈不亮；當S1開關斷開時，充電/維護信號為高電平，單片機監測到該高電平信號后，維護儀被設置為維護狀態，同時V27“充電”指示燈不亮，V26“維護”指示燈亮。

圖6 充電/維護選擇電路

3.6 V/7.2 V選擇控制電路與充電/維護選擇電路的工作原理一致。

2.10 3.3 V電源、電壓基準

用一個3.3 V線性穩壓芯片得到3.3 V電源，為單片機等電路供電。同時一個2.5 V的電壓基準為單片機的A/D采樣及LTC6104電流采樣電路提供電壓基準。

3 軟件設計

采用模塊化軟件設計，在主程序中套用各功能子程序，這樣軟件設計邏輯嚴謹、條理清晰[6]。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、第一次充電子程序、放電子程序、第二次充電子程序、狀態指示子程序等。程序流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖電路

3.1 電壓電流采樣

單片機內置12位AD，通過控制4片多路模擬開關74HC4051來實現對32路模擬信號進行采樣。

3.2 第一次充電子程序

第一次充電子程序中根據對電池電壓及充電電流來綜合判斷充電狀態。當充電電流值大于0.3 A時，判為充電狀態，對應的指示燈為綠燈閃爍；當電池電壓達到恒壓充電電壓值(3.6 V電池規格恒壓充電電壓值為4.2 V，7.2 V電池規格恒壓充電電壓值為8.4 V)且充電電流小于0.3 A時判電池充滿，充電結束，關斷充電輸出(SON信號置為低電平)，對應的指示燈為綠燈。

當第一次充電結束關斷充電輸出后，電池電壓低于8.2 V(3.6 V規格電池電壓低于4.1 V)則判電池性能下降嚴重，提醒用戶及時更換報廢該電池。對應的指示燈為紅燈閃爍。

3.3 放電子程序

在維護狀態下，當第一次充電結束后，維護儀自動轉為放電過程，對應的放電控制信號置為高電平，電池通過功率電阻放電，對應的指示燈為紅燈。

在放電過程中。單片機實時監測電池電壓電流，當電池電壓放至6 V時判放電結束。對應的放電控制信號置為低電平，關斷放電電路。

3.4 第二次充電子程序

當放電結束后，維護儀自動轉為第二次充電過程，對應的充電輸出控制信號(SON信號置為低電平)置為高電平，開始第二次充電，對應的指示燈為紅綠交替閃爍。

在第二次充電過程中。單片機實時監測電池電壓電流，當電池電壓達到恒壓充電電壓值8.4 V(3.6 V電池規格恒壓充電電壓值為4.2 V)時判第二次充電放電結束，關斷充電輸出(SON信號置為低電平)。

在第二次充電結束后，整個維護過程結束，對應的指示燈為綠燈。

3.5 狀態指示子程序

單片機與ZLG7290之間為I2C接口通信協議。ZLG7290可獨立控制這32個發光二極(16個雙色發光二極管)來指示對應的充電、維護狀態：

1)在充電狀態下，電池充電過程對應的指示燈為綠燈閃爍；充滿結束時對應的指示燈為綠燈。

2)在維護狀態下，第一次充電過程中對應的指示燈為綠燈閃爍；第一次充電結束后自動轉為放電過程，對應的指示燈為紅燈；放電結束后自動轉為第二次充電過程，對應的指示燈為紅綠交替閃爍；維護結束綠燈。

3)故障指示：在充電維護過程中監測到電池性能下降嚴重時其對應的指示燈紅燈閃爍；當充電輸出端口短路或者電池電壓充不上去時，判充電輸出故障，其對應的指示燈紅燈閃爍；當所接電池規格不符時，其對應的指示燈紅燈閃爍。

根據故障指示判斷：在維護儀剛開機時，指示燈紅燈閃爍，則是充電電路輸出故障，可能是充電輸出端口短路或充電電路故障；剛插上電池開始工作時，指示燈紅燈閃爍，則可能是電池電壓規格不符或電池失效；在充電結束后指示燈紅燈閃爍，則是電池性能下降嚴重提醒[7]。

4)空載指示：當電池接口沒有連接電池時，單片機結合該端口的電壓電流信號，可判斷出該端口為空載，其對應的指示燈綠燈。

3.6 充電/維護選擇控制

充電/維護選擇控制：當單片機的P0.3端口監測到3.6 V/7.2 V選擇信號為低電平時，維護儀設定的是充電工作模式；反之維護儀設定的是維護工作模式。

維護儀工作模式設置好后，16路電路都同時工作在該模式下。

3.7 3.6 V/7.2 V選擇控制

3.6 V/7.2 V選擇控制：當單片機的P0.4端口監測到3.6 V/7.2 V選擇信號為低電平時，維護儀設定的是為3.6 V規格電池充電/維護工作模式，單片機的3.6 V/7.2 V設置信號為高電平，LTC4008充電電路的最高充電電壓設置為8.4V；反之維護儀設定的是為3.6 V規格電池充電/維護工作模式, LTC4008充電電路的最高充電電壓設置為4.2 V。

維護儀的電池電壓規格工作模式設置好后，16路電路都同時工作在該電壓規格模式下。

不同的電池電壓規格不能同時工作，當單片機監測到所連接的電池電壓規格與所設置的工作模式不符時，維護能自動識別，其對應的指示燈紅燈閃爍故障指示。其工作原理為：當接上鋰電池開始工作時，充電電路首先對鋰電池用一個50 mA電流的涓流充電，約1秒時間停止充電；單片機再根據該端口的電壓信息，來判斷所連接的鋰電池規格是否與設備當前的電壓規格工作模式相符；涓流充電另一個功能就是激活處于保護狀態的鋰電池。

4 維護儀的測試驗證

根據上述設計思想制作出的16路智能鋰電池充電、維護儀。可以同時對16塊同規格的鋰電池進行充電或維護[8]。打開電源開關，可以設置并指示充電或維護工作狀態；可以設置并指示對3.6 V或7.2 V電壓規格的電池進行充電/維護；充電工作模式時，充電指示燈綠燈閃爍，充滿指示燈亮綠燈；維護工作模式時，第一次充電指示燈綠燈閃爍，第一次充電結束后自動轉為放電指示燈亮紅燈，放電結束后自動轉為第二次充電指示燈紅綠交替閃爍，第二次充電完成后維護指示燈亮綠燈；性能下降嚴重的電池，能自動識別篩選指示出來，指示燈紅燈閃爍指示該故障；充電輸出端口短路時能關斷輸出，指示燈紅燈閃爍指示該故障。

5 結論

本文對維護儀的工作原理進行了詳細的介紹,結合硬件電路和軟件設計重點介紹該設備如何實現其智能化：通過開關切換可以對電池進行充電工作，也可以對電池進行維護工作；通過開關切換可以對7.2 V電壓規格的鋰電池進行充電/維護，也可以對3.6 V電壓規格的鋰電池進行充電/維護；能夠自動識別篩選出性能下降嚴重的電池，方便用戶及時報廢更換該電池；能夠監測并指示各工作狀態，方便用戶了解電池充電/維護工作在哪個的過程；能判別指示多種故障狀態，方便用戶使用。

該16路智能鋰電池充電、維護儀大大的方便了用戶對不同電壓規格鋰電池的集中充電、維護管理，具有高效、安全、智能可靠等特點。