基于PIC單片機的鋰電池智能充電機設計

張錦升，劉佳俊，呂 健，梅俊鋒

（武漢龍安集團有限責任公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

自1972年Armand等科學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極材料和電解質材料，并于1991年正式商業化制造，才真正開啟了鋰離子電池作為重要儲能容器的時代[1]。

目前，無論在軍用領域還是民用消費類電子行業，鋰電池的應用越來越廣泛。與其他儲能電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度[2]。且鋰電池技術日趨成熟，經過嚴格的環境應力測試后，能夠很好地適應各種復雜的工作環境[3]。因此，設計開發一種能適配不同電壓等級和不同容量的智能鋰電池充電設備具有很重要的意義。

1 充電方案設計

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

圖1 充電機總體連接框圖

2 基于LT8390芯片的充電設計

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98%，提供輸入輸出電流監控。典型應用如圖2所示。

圖2 LT8390典型應用

2.1 充電過程

鋰電池充電過程包含恒流充電和恒壓充電兩個階段[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，當電池電壓上升到最高充電電壓時，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，通過控制4個開關管的通斷時序控制輸出。其中功率開關的簡化框圖如圖3所示。

圖3 功率開關簡化框圖

2.1.1 降壓區

當輸入電壓明顯大于輸出電壓時，場管D始終接通，場管C始終截止，場管A、B交替通斷，其波形如圖4所示。

圖4 降壓區工作波形

2.1.2 降壓-升壓區

當VIN略大于VOUT時，在每個開關周期開始時，功率開關A、C打開，電感電流上升。經過15%個周期后，功率開關C關閉，功率開關D打開，流經電感電流持續上升。當電感電流達到降壓電流峰值門限時，在該周期剩余的時間內功率開關A關閉、B打開，如圖5所示。

圖5 VIN略大于VOUT工作波形

當VIN略小于VOUT時，在每個開關周期開始時，功率開關A、C打開，電感電流上升。當電感電流達到升壓電流峰值門限時，功率開關C關閉，功率開關D在該周期剩余的時間內始終打開。經過85%周期后，功率開關A關閉、B在剩余時間內始終打開，如圖6所示。

圖6 VIN略小于VOUT工作波形

2.1.3 升壓區

當VIN明顯小于VOUT時，場管A始終接通，場管B始終截止，場管C、D交替接通，其波形如圖7所示。

圖7 升壓區工作波形

2.2 輸出電壓調節

LT8390控制器通過電壓反饋腳FB可以設定輸出電壓，當FB電壓低于1 V時，LT8390控制器通過控制場效應管增大輸出電壓，FB電壓高于1 V時，降低輸出電壓。輸出電壓換算公式為：

式中：VFB=1 V。

FB管腳還可用于設置輸出過壓門限，當FB電壓達到1.1 V，輸出電壓無法降低時，輸出過壓LT8390控制器判定輸出過壓。輸出過壓值換算公式為：

式中：VFB=1.1 V。

2.3 輸出電流調節

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引腳電壓進行設置。其中，輸出電流流經檢流電阻RIS產生的壓降由LT8390控制器的ISP和ISN管腳進行檢測，CTRL引腳用于設置ISP/ISN電流檢測門限。

CTRL引腳電壓范圍為0～6 V，當其電壓低于0.3 V時，功率開關停止工作，當CTRL引腳電壓在0.3～1.15 V時，電流檢測門限（VISP-ISN）由5～90 mV線性增加，最大輸出電流計算公式為：

式中，Vctrl為CTRL引腳的電壓；RIS為檢流電阻的阻值。

當CTRL電壓在1.15～1.35 V時，電流檢測門限由90 mV線性增加至100 mV，Vctrl與VISP-ISN的典型值對應如表1所示。

表1 Vctrl與VISP-ISN典型值對應表

當CTRL電壓大于1.35 V時（最大6 V），電流檢測門限為100 mV。

對流經檢流電阻RIS的電流，LT8390的ISMON管腳提供了一個經緩沖的監視輸出，該引腳的電壓可由VISMON=VISP-ISN×10+0.25 V計算得出，流經檢流電阻RIS的電流為IIS=VISMON/RIS。

在設計中，由控制單元檢測ISMON管腳電壓，并提供PWM信號給LT8390的CTRL管腳，達到控制最大輸出電流的目的。

3 基于PIC16F874A單片機的智能監控設計

鋰電池智能充電機能對12 V和24 V多種容量規格的電池進行充電。充電機控制單元采用MICROCHIP公司的PIC16F874A單片機作為控制芯片，該單片機含8位處理器、33個I/O口、8個AD采樣通道以及兩個PWM通道控制[5]。充電機軟件編程語言為C語言，開發環境為Win7和MPLAB IDE v8.90。

控制單元主要完成以下功能。一是通過AD采樣口檢測電池識別電阻完成電池類型識別；二是設置PWM占空比控制LT8390芯片CTRL管腳電壓，實現充電電流控制；三是控制LT8390芯片FB管腳電壓，實現充電電壓控制；四是通過AD采樣口檢測充電電流和充電電壓，判定充電過程；五是識別快充慢充切換按鈕，切換快速充電和慢速充電模式；六是控制充電狀態指示燈和充電模式燈等，完成人機交互功能。充電機控制單元按表2參數設置不同類型電池的充電過程。

表2 10種電池參數設置表

4 結 論

本文簡單描述了設計和研制鋰電池充電機的意義，介紹了充電機的總體方案，重點敘述了充電過程設計和智能監控設計。經過樣機研制和整機測試，本充電機對鋰電池具有良好的充電效果，滿足智能化充電的設計要求，能夠自動適配10種不同規格的鋰電池，具有較高的充電效率。